Zeesponzen, bekend als de bloemenmanden van Venus, blijven aan de zeebodem vastzitten met niets meer dan een reeks dunne, haarachtige ankers die in wezen van glas zijn gemaakt. Het is een belangrijke baan, en nieuw onderzoek suggereert dat het de interne architectuur van die ankers is, bekend als basalia spicules, dat helpt hen daarbij.

de kruiden, elk ongeveer de helft van de diameter van een mensenhaar, zijn gemaakt van een centrale silica (glas) kern bekleed met 25 dunne silicacilinders. Gezien in dwarsdoorsnede, het arrangement lijkt op de ringen in een boomstam. De nieuwe studie door onderzoekers van de Brown University's School of Engineering laat zien dat in vergelijking met spicules van een andere sponssoort die de boomringarchitectuur mist, de basalia spicules kunnen tot 2,4 keer verder buigen voordat ze breken.

"We vergeleken twee natuurlijke materialen met zeer vergelijkbare chemische samenstellingen, waarvan de ene deze ingewikkelde architectuur heeft en de andere niet, " zei Michael Monn, een afgestudeerde student aan de Brown University en eerste auteur van het onderzoek. "Hoewel de mechanische eigenschappen van de spicules in het verleden zijn gemeten, dit is de eerste studie die het effect van de architectuur op de eigenschappen van de spicules isoleert en kwantificeert hoe de architectuur het vermogen van de spicules verbetert om meer te buigen voordat ze breken."

Door die buigzaamheid kunnen de spicules zich waarschijnlijk in het slib van de zeebodem weven, helpen om de veilige bevestiging van de spons te verzekeren. Een beter begrip van hoe deze interne spicule-architectuur werkt, kan nuttig zijn bij het ontwikkelen van nieuwe door mensen gemaakte materialen, zeggen de onderzoekers.

Het onderzoek is gepubliceerd in de Tijdschrift voor het mechanisch gedrag van biomedische materialen .

Toen co-auteur Haneesh Kesari studeerde, assistent-professor aan Brown's School of Engineering, zag voor het eerst de interne architectuur van de basalia spicules, hij was meteen geïntrigeerd door de consistentie en regelmaat van het patroon. "Het zag eruit als een figuur uit een wiskundeboek, " hij zei.

Vanaf dat moment, Kesari heeft gewerkt om de betekenis van de architectuur te begrijpen. in 2015, Kesari, Monn en verschillende collega's publiceerden een analyse die aantoont dat de opstelling van de concentrische lagen van de spicules - die geleidelijk in dikte afnemen van het midden naar de buitenkant - wiskundig optimaal is voor het maximaliseren van de sterkte van de spicules.

Deze laatste studie is een meer directe test van een eigenschap die volgens de onderzoekers belangrijk is voor de spicule-ankers:buigingsbreukspanning, dat is de mate waarin iets kan buigen zonder te breken.

"Intuïtief, het is logisch dat de spicules betere ankers zouden zijn als ze zich een weg door het slib konden banen", zei Mon. "Het zou veel moeilijker zijn om ze eruit te trekken dan wanneer ze recht zouden zijn. De mechanische eigenschap die het meest wordt geassocieerd met die gewenste functionaliteit, zou de buigspanning zijn."

Voor de studie, de onderzoekers gebruikten een apparaat dat ze speciaal hebben ontworpen om te testen hoe ver spicules kunnen buigen. De spicules worden over een podium gelegd met een opening in het midden. Een kleine wig wordt vervolgens op de spicule neergelaten, die het in de opening buigt. Een camera aan de zijkant van het apparaat maakt foto's, het verstrekken van nauwkeurige metingen van hoe ver de spicules buigen voordat ze breken.

Monn en Kesari gebruikten het apparaat om zowel de basalia-spicula uit de bloemenmanden van Venus te testen als de spicules van een andere soort - de oranje puffball-spons. De twee sets spicules hebben ongeveer dezelfde diameters en een in wezen identieke silicasamenstelling. Maar de puffball-kruiden missen de interne architectuur van de bloemenmanden. Dus elk verschil in buigspanning tussen de twee kan worden toegeschreven aan de architectuur.

Uit de experimenten bleek dat de spicules van de bloemenmand 140 procent meer konden buigen dan de spicules van de puffball.

"De mate waarin de spicules konden buigen was nogal verrassend, aangezien ze in wezen van glas zijn", zei Mon. Ingenieurs gebruiken vaak een model genaamd Euler-Bernoulli-balktheorie om te berekenen hoeveel een balk zal buigen onder een belasting, maar dat is alleen van toepassing als de omvang van de buiging erg klein is. De spicules bleken te veel te kunnen buigen om de theorie te accommoderen.

"Wat dat zegt, is dat de klassieke theorieën die we gebruiken om mechanische tests van technische materialen te analyseren, mogelijk niet nauwkeurig zijn als we te maken hebben met biologische materialen, "Zei Monn. "Dus we moeten ook onze analyseaanpak veranderen en niet alleen kopiëren en plakken wat we voor technische materialen hebben gebruikt."

Monn hoopt dat studies zoals deze de gegevens zullen opleveren die nodig zijn om goede modellen te bedenken om de eigenschappen van deze natuurlijke structuren te verklaren, en uiteindelijk gebruik maken van die structuren voor nieuwe door mensen gemaakte materialen.