Дяволският железен бръмбар има най-здравата черупка в природата

Дяволският железен бръмбар, освен че има едно от най-страхотните имена в животинското царство, може да се похвали с един от най-здравите екзоскелети в природата. Екип от учени най-накрая разбра тайната зад неговата изключително издръжлива броня и как тези бъмбари могат да издържат дори прегазване от кола.

Ново изследване, публикувано в Nature, показва, че бръмбарът (Phloeodes diabolicus) има наистина забележителни дрехи – екзоскелетът му е изключително здрав, но когато налягането буквално стане твърде голямо, черупката придобиват еластично качество, което я кара да се разтяга до известна степен, а не да се счупи като черупката на орех.

Учените, които правят това откритие – екип от университета Пърдю и Калифорнийския университет – казват, че уникалната стратегия, използвана от дяволския железен бръмбар, може да вдъхнови създаването на иновативни материали и компоненти, способни да разсейват енергията, за да предотвратят счупвания. Дейвид Кисайлус, професор по материалознание и инженерство, ръководи новото изследване.

Squash-resistant beetle’s armor could be answer for tougher planes, vehicles https://t.co/tDEU84UsU8

— A. J. (@AJ831958) October 22, 2020

Самият бръмбар обича да се крие под камъни и зад кората на дърветата. Той не може да лети и затова има две интересни защитни стратегии, за да се предпазят от хищници като птици, гризачи и гущери. В допълнение към това да се прави на мъртъв (класическа и ефективна стратегия сама по себе си), тези подобни на танкове буболечки са оборудвани с една от най-здравите черупки, познати на науката. Тя е толкова силна, че те могат да оцелеят, прегазени от кола. По-практично, тази черупка защитава вътрешните им органи, когато, да речем, ги кълват птици.

За да разберат по-добре тези бръмбари и техните трайни екзоскелети, изследователите проучват границите на тази броня, изследват я с микроскопи и скенери и дори я възпроизвеждат няколко пъти на 3D принтер, за да тестват различните си теории.

Експериментите показват, че дяволските железни бръмбари могат да издържат на сила от 150 нютона, което е 39 000 пъти телесното им тегло. Ако трябва да сравним това с хората (не е чудесен пример като се имат предвид изключително различните мащаби, но пък е забавно), това ще означава, че един 90-килограмов човек може да издържи натиск от 3 милиона килограма. Една автомобилна гума може да им нанесе натиск от 100 нютона, което обяснява как тези бръмбари могат да оцелеят при сгазване. Изследователите казват, че други видове бръмбари не могат да се справят дори с половината от тази сила.

Майски бръмбар с разперени чифт елитри и чифт летателни крила

Физическият анализ на екзоскелета с микроскопи и скенери показва, че ключът към тази издръжливост се крие в елитрите (чифт хитинизирани, твърди крила). При летящите бръмбари елитрите служат като защитни калъфи за крилата (при калинките те са червените и черни с точки, които се отварят, когато калинката ще излита). При дяволския железен бръмбар обаче двете му елитри имат различна цел – да защитават вътрешните му органи, а не крилата. Така те стават значително по-твърди от елитрите при други бръмбари.

Тази черупка осигурява две нива на защита, според новите изследвания.

Външният слой предотвратява прекомерното движение, запазвайки непокътната структурата на екзоскелета. Този външен слой съдържа повече протеини от обикновено – с около 10% повече в сравнение с други части на тялото на бръмбара – което добавя допълнителна сила. В същото време медиалният шев – линията, която разделя двете елитри по дължината на корема на бръмбара – включва съединителни остриета, които могат да се оприличат на парчета от пъзел. Тези остриета се захващат плътно, предотвратявайки всяко движение и запазвайки непокътната структурата на целия екзоскелет.

Но aко натискът започне да става твърде интензивен, черупката трябва да поддаде малко, за да не би бръмбарът да се счупи. В този случай блокиращите конци преминават през процес, наречен разслояване, или слоесто разбиване, при което свързващите структури бавно се отдръпват една от друга, позволявайки разсейването на енергията и еластична деформация. Тази конфигурация ще се срине напълно, ако силите са вече прекалено екстремни, но процесът на счупване се случва по-бавно и по-нежно, отколкото като чупим орех. В един реален сценарий това дава още допълнително време до пълно счупване, което за бръмбара може да означава, че има все още шанс да се спаси.

„Когато скъсате парче пъзел, очаквате мъжкото да се раздели на врата, най-тънката част“, ​​обясни Кисайлус в изявление. „Но ние не виждаме такъв вид разделение при този вид бръмбари. Вместо това има разслояване, което осигурява по-постепенно скъсване на конструкцията.“

За да спечели още повече време бръмбарът, остриетата имат бодливо покритие, което действа като шкурка, осигурявайки известна, но не твърде голяма устойчивост по време на приплъзване.

Чрез компютърни симулации и 3D принтирани модели на тези структури, изследователите успяват да възпроизведат тези защитни ефекти, допълнително засилвайки техните предположения. Те също така изграждат закопчалка въз основа на същата стратегия и тя се оказва също толкова добра, колкото конвенционалните инженерни крепежни елементи, ако не и по-добра.