Honderden meters diep in het donker van de oceaan, een haai glijdt naar wat lijkt op een maaltijd. Het is een beetje lelijk, palingachtig en niet bijzonder vlezig, maar waarschijnlijk nog steeds eten. Dus de haai slaat toe.

Dit is waar de interactie van biologie en natuurkunde mysterieus wordt - net zoals de haai zijn diner wordt onderbroken door een wolk van beschermend slijm dat uit het niets verscheen rond een verder rustige slijmprik.

Jean Luc Thiffeault, een wiskundeprofessor aan de Universiteit van Wisconsin-Madison, en medewerkers Randy Ewoldt en Gaurav Chaudhary van de Universiteit van Illinois hebben het prop-inducerende verdedigingsmechanisme van de hagfish wiskundig gemodelleerd, publiceren hun werk vandaag in de Tijdschrift van de Royal Society Interface .

De in de oceaan levende slijmprik is om de vreemdste redenen uniek. Het heeft een schedel, maar geen ruggengraat of kaak. Zijn huid hangt los op zijn

lichaam, alleen aan de achterkant bevestigd. Zijn tanden en vinnen zijn primitief, onderontwikkelde structuren die het best kunnen worden beschreven met kwalificaties - 'tandachtig' en 'vinachtig'.

Maar het heeft een geweldige truc die griezelig is, losse mouw van huid:in een oogwenk (of een flits van aanvallende staart en tanden) kan de slijmprik vele malen zijn eigen lichaamsvolume aan slijm produceren. De rommel is zo dik en vezelig, roofdieren hebben weinig andere keuze dan de slijmprik uit te spugen en proberen hun mond schoon te maken." De mond van de haai zit meteen boordevol met deze gel, Thiffeault zegt. "In feite, het doodt ze vaak, omdat het hun kieuwen verstopt."

De gel is een verward netwerk van microscopische, zeewater-vangende draden losgespoeld van ballen van het spul uitgeworpen uit klieren langs de huid van de slijmprik. Deze "strengen" zijn slechts 100 miljoenste van een meter in diameter (twee keer de breedte van een mensenhaar), maar zo dicht opgerold dat ze wel 15 centimeter draad kunnen bevatten. Nieuwsgierige wetenschappers hebben eerder naar het ontrafelen gekeken, de strengen in zout water leggen om te zien hoe lang het duurde voordat ze uit elkaar vielen.

"De slijmprik doet het in minder dan een halve seconde, maar het duurde uren om de draden los te laten in experimenten, " zegt Thiffeault, wiens onderzoek is gericht op vloeistofdynamica en mengen. "Totdat ze het water roerden, en het ging sneller. Het roeren was het ding."

De slijmmodelbouwers gingen op zoek of wiskunde hen kon vertellen of de krachten van het turbulente water van een bijt-en-schudaanval voldoende waren om de strengen af ​​te spoelen en het slijm te maken, of als er een ander mechanisme nodig was - zoals een chemische reactie die de streng wat pop geeft -.

Ewoldt, een professor werktuigbouwkunde, en zijn afgestudeerde student Chaudhary begon strengen te ontrafelen onder microscopen, kijken naar het proces terwijl losse draadeinden aan de punt van een bewegende spuit plakten en slepende lengtes uit de bal werden gesponnen.

"Ons model is gebaseerd op een idee van een klein stukje dat aanvankelijk uit bungelt, en dan een stuk dat wordt weggetrokken, "zegt Thiffeault. "Zie het als een rol tape. Om tape van een nieuwe rol te trekken, je moet misschien naar het einde jagen en het losmaken met je vingernagel. Maar als er al een vrij einde is, het is gemakkelijk om het ergens mee te vangen en aan de slag te gaan."

Uitrollen vereist een voldoende groot verschil tussen de weerstand aan het vrije uiteinde en een tegengestelde duw op de streng - een verhouding groter dan een kantelpunt dat de onderzoekers informeel het 'afpelgetal' noemen - om meer draad vrij te maken.

"Dat is onwaarschijnlijk als het hele ding vrij in water beweegt, ", zegt Thiffeault. "De belangrijkste conclusie van ons model is dat we denken dat het mechanisme afhankelijk is van de draden die ergens anders aan vast komen te zitten - andere draden, alle oppervlakken aan de binnenkant van de mond van een roofdier, vrijwel alles - en vanaf daar kan het echt explosief zijn."

Het hoeft niet eens een enkel probleem te zijn.

"Biologie is zoals het is, het hoeft niet precies te zijn. Dingen worden rommelig, "zegt Thiffeault. "Dat leidende stukje draad kan een beetje vast komen te zitten, dan uitglijden, dan weer gepakt worden. Zolang het met genoeg strengen gebeurt, het is vrij snel dat je in het slijm zit."

De strengen kunnen een boost krijgen van mucines, eiwitten gevonden in slijm die het uiteenvallen van samengepakte draad kunnen versnellen, "maar dat soort dingen zou de hydrodynamica alleen maar helpen, " zegt Thiffeault, die ooit berekende in hoeverre het zwemmende zeeleven hele oceanen vermengt met hun vinnen en vinnen.

"Het is gewoon moeilijk voor te stellen dat er een ander proces is dan hydrodynamische stroming dat kan leiden tot deze tijdschalen, die uitbarsting van slijm, "zegt hij. "Als de haai bijt, dat zorgt wel voor turbulentie. Dat zorgt voor snellere stromen, het soort dingen dat het zaad verschaft om deze dingen te laten gebeuren. Niets gaat zo mooi gebeuren als in ons model - wat een beter begin is voor iedereen die meer metingen wil doen - maar ons model laat zien dat de fysieke krachten de grootste rol spelen."

De hydrodynamica van slijmerige slijmvliezen is niet alleen een curiositeit. Het begrijpen van de vorming en het gedrag van gels is een permanent probleem in veel biologische processen en soortgelijke industriële en medische toepassingen."

Een van de dingen waar we in de toekomst graag aan zouden werken, is het netwerk van threads. Ik hou ervan om na te denken over het modelleren van materialen als grote willekeurige verzamelingen draden, Thiffeault zegt. "Een eenvoudig model van verstrengelde draden kan ons helpen te zien hoe dat netwerk de macroscopische eigenschappen van veel verschillende, interessante materialen."