Wetenschap
De kaken van woestijnsprinkhanen scherpen zichzelf, ontdekt materiaalwetenschapper
Haaien verliezen hun hele leven tanden en vervangen ze in een soort eindeloze roterende Rolodex, terwijl mensen natuurlijk alleen onze twee sets krijgen. Het is bekend dat de tanden van bevers hun hele leven doorgroeien en moeten worden afgesleten om letsel te voorkomen.
Nieuw onderzoek verschijnt in Interface Focus heeft nu een ander dier in de zelfslijpende set geplaatst, Schistocerca gregaria, de woestijnsprinkhaan.
Ulrike G. K. Wegst, universitair hoofddocent natuurkunde aan de Northeastern University, heeft ontdekt dat exoskeletten van sprinkhanen zinkconcentraties in hun onderkaken opbouwen, waardoor hun ‘schepvormige monddelen’ – zo blijkt uit het onderzoek – verharden in relatie tot de omliggende cuticula. /P>
Het exoskelet van een sprinkhaan bestaat uit chitine, een vezelachtig materiaal dat lijkt op de cellulose die in planten voorkomt en die voorkomt in zowel insecten als zeeleven zoals schaaldieren.
De chitine van een dier varieert afhankelijk van het gebruik. In sommige delen van het lichaam heeft het flexibiliteit nodig, bijvoorbeeld rond de kaken die open en dicht moeten, en in andere delen heeft het aanzienlijke hardheid nodig.
Het onderzoek, uitgevoerd in samenwerking met bioloog Oliver Betz van de Universiteit van Tübingen, en Peter Cloetens van het Europese Synchrotron, onderzocht hoe met zink geharde delen van de onderkaken van sprinkhanen zichzelf slijpen tijdens het gebruik.
De kaken van sprinkhanen lijken niet op die van mensenkaken, in die zin dat de ene set de andere set enigszins overlapt, hoewel sprinkhanen horizontaal open en dicht gaan.
Terwijl de twee helften langs elkaar heen scheren, scherpen de geharde randen elkaar.
Wegst, gespecialiseerd in materiaalkunde, identificeerde een uitgesproken 'zinkenrand'-voering langs de onderkaken door het gebruik van een synchrotron (een soort deeltjesversneller) die gebruik maakte van 'monochromatische energie-röntgenstralen'.
Het voordeel van synchrotronlicht ligt in de intensiteit ervan:"We kunnen het spectrum terugbrengen tot een zeer smalle energie. We kunnen het zelfs monochromatisch maken", zegt Wegst, "zodat ik nog steeds genoeg energie heb om beelden te maken, maar ik kan ook positioneer deze energie precies."
Materialen absorberen röntgenstraling op verschillende manieren, en dankzij de smalheid van de synchrotronbundel konden de onderzoekers een proces van subtractieve beeldvorming gebruiken om ‘enerzijds de hoeveelheid zink te meten’, zegt Wegs, en ‘gemakkelijker te zien hoe het wordt verdeeld. in drie dimensies."
Bij het bouwen van een driedimensionaal model van de kaken van de sprinkhanen kon Wegst vervolgens identificeren hoe de hardere voorranden van de onderkaken van de sprinkhanen bij gebruik het zachtere chitine eromheen wegsneden, waardoor een scherpere rand behouden bleef.
"Wat ik hier op mijn snijvlak probeer te bereiken is een hoge hardheid" die bestand is tegen zeer schurend, houtachtig materiaal, zegt Wegst. Om "ervoor te zorgen dat de snijkanten zo lang mogelijk scherp blijven", vervolgt ze, "kan worden bereikt door een van deze randen tegen de andere te laten wrijven. Dus elke keer dat hij iets snijdt, slijpt hij zichzelf ook."
Maar slijtage is onvermijdelijk, ondanks dit ‘zeer slimme mechanisme’, zoals Wegst het noemt. Uiteindelijk zal de rand verslijten, maar Wegst merkt op dat de sprinkhaan regelmatig zijn exoskelet afwerpt, waardoor zijn chitineuze buitenste schil en de harde, met zink verrijkte monddelen opnieuw groeien.
Stel je voor dat je een bot mes gebruikt in plaats van een scherp mes, stelt Wegst. "Het kost meer energie om te snijden, dus voor een dier dat moet eten en energie moet behouden, is een efficiënt snijmechanisme eigenlijk een strategie om te overleven. Als ik bot snijgereedschap heb - en ik krijg mijn nieuwe mes over zes weken - Misschien heb ik tussendoor honger."
"Het dier met het zelfslijpmechanisme is in het voordeel", vervolgt ze, "maar het is ook duur" voor de sprinkhaan om zoveel zink te consumeren als hij nodig heeft en dit via de juiste delen van het exoskelet te verspreiden. "Het is een evenwicht dat het organisme lijkt te bereiken, waarbij een efficiënte distributie wordt gehandhaafd, "alleen in de gebieden waar [het zink] het meest nodig is."
Hoe het zink de onderkaken bereikt, en hoe de sprinkhanen er voldoende van consumeren, blijven open vragen voor verder onderzoek.
Hoewel ze er misschien wel zijn, zegt Wegst dat "we nog geen andere soort hebben gezien... waar we een soortgelijke rangschikking van snijkanten ten opzichte van elkaar hebben."
Maar Wegst voorziet ook dat uit dit onderzoek biomimetische ontwerpideeën voortkomen. Maar dat betekent niet dat u één-op-één-kopieën moet ontwerpen. In plaats daarvan impliceert 'biomimetica', zegt ze, 'het begrijpen van de principes van de functie'.
Het simpele principe van het plaatsen van "middelen in specifieke gebieden om iets schadetolerant, veerkrachtig en langlevend te maken", zegt Wegst, "zolang mijn structuur moet overleven", biedt veel om van te leren.