Мысль о пронзительных и ядовитых укусах гадюк и колющих жалах ос - это часть того, что делает жуткий сезон таким жутким. Они заставляют нашу кожу покрываться мурашками не без причины, поскольку тысячи лет эволюции привили большинству людей страх перед жуткими тварями, такими как змеи и пауки, в основном из-за угрозы, которую представляют их укусы.
Однако эти страшные клыки, жала, шипы являются биологическими инструментами, которые животные используют для самозащиты, и могут помочь людям разработать более "устойчивые к проколам" материалы. В новой работе, опубликованной сегодня в Journal of the Royal Society Interface, группа исследователей подробно описывает модель, которая может рассчитать энергетику, или то, как энергия, стоящая за действием прокола, работает, когда один организм наносит удар другому.
"Идея исследования заключалась в том, чтобы разработать количественную основу для сравнения различных биологических систем прокола друг с другом", - сказал в пресс-релизе Филип Андерсон, профессор эволюции, экологии и поведения Университета Иллинойса Урбана-Шампейн, возглавлявший исследование. "Первоначальный вопрос этого исследования заключался в том, как мы вообще можем измерить эти различные системы, чтобы сделать их сравнимыми".
Животные и растения используют различные стратегии прокола для нанесения ударов добыче или защиты от хищников, включая жаление, как это делают пчелы, и укусы, как змеи. Однако даже те, кто использует схожие стратегии или инструменты, могут приспосабливать эти инструменты для удовлетворения своих специфических потребностей и различных целей, считают исследователи.
"У гадюк, например, некоторые кусают млекопитающих, что означает, что они должны проколоть мягкие ткани, заключенные в кожу, тогда как другие нацелены на рептилий, которые имеют чешую, что делает их более жесткими и трудными для прокола", - говорит Андерсон, который изучает механику и энергетику биологических систем прокола.
С другой стороны, осы-паразитоиды могут использовать свой яйцеклад, похожий на трубку орган, используемый для откладывания яиц, для того, чтобы прорываться сквозь шкуру гусениц, но могут проникать во фрукты или даже древесину.
Некоторые паразитоидные осы, например, из рода Ichneumon, могут использовать свои яйцеклады для протыкания древесины. CREDIT: Служба охраны рыбных ресурсов и дикой природы США."Предсказание свойств биологических систем - сложная задача, - сказал в пресс-релизе Биньян Чжан, постдокторский исследователь, работавший над этой статьей.
Для разработки модели, которая может быть применена к многочисленным биологическим системам, Чжан определил, что существуют ключевые факторы, которые должны быть включены в любые расчеты энергетики, участвующей в действии прокола. Эти факторы включают изменения в кинетической энергии (или движении) при использовании инструмента для прокалывания и материал, из которого сделана цель, например, чешуйчатая рептилия или волосатое млекопитающее.
Новая модель используется для лучшего понимания таких прокалывающих организмов, как клыки гадюк, шипы скатов и яйцеклады паразитоидных ос.
"Если мы знаем морфологию или форму повреждения, созданного инструментом для прокола, мы можем использовать эту модель для прогнозирования того, сколько энергии было затрачено во время сценария прокола", - сказал Чжан. "Или мы можем предсказать различные аспекты свойств материала, например, как он будет разрушаться, что будет полезно как в инженерных, так и в биологических приложениях".