Биоинженерия будущего: как стекло, живущее на морском дне, поможет нам освоить космос

В мире насчитывается порядка 8000 видов морских губок, однако в данном исследовании особое внимание уделяется шестилучевым губкам (Hexactinellida)




Этот тип губок также весьма многообразен, ибо насчитывает около 600 видов. Обитают они в морях на глубинах от 5 до более 6000 метров

Форма тела Hexactinellida может быть самой разной: трубчатая, кубковидная, комковидная, отростчатая, лопастная и т.д. Несмотря на визуальные отличия, состав тела у всех видов достаточно схож. Основой тела является единый синцитий. Синцитий — тип ткани у живых организмов с неполным разделением клеток, когда обособленные участки цитоплазмы с ядрами связаны между собой цитоплазматическими мостиками.




И нас интересует одна из них - Euplectella aspergillum — вид морских губок из отряда Lyssacinosida класса стеклянных губок




Euplectella aspergillum - губка цилиндрической формы, обитающая в тропических водах. Имеет высоту 45 см.




Euplectella aspergillum - жесткая и прочная. Она имеет удивительно сложный скелет, состоящий из сложного набора волокон, известных как спикулы




Спикулы - волокна длиной 5-10 см, тонкие, как волос, образуют корону у основания сети, которая прикрепляет губку ко дну океана




Губки необычны, потому что они почти полностью сделаны из стекла

Говоря научным языком, их экзоскелет состоит из гидратированного аморфного диоксида кремния, организованного в сложную сеть спикул, поддерживающих структуру. Губка извлекает кремниевую кислоту из морской воды и превращает ее в кремнезем , а затем формирует сложный каркас из стеклянных волокон




Стекловолокно, из которого состоит губка Euplectella aspergillum , удивительно прочное и гибкое

Спикулы содержат эластично неоднородную пластинчатую внутреннюю структуру и состоят из аморфного гидратированного кремнезема. Вокруг тонкой органической осевой нити, которая определяет геометрию ядра спикулы, находится твердое ядро из кремнезема. Это ядро дополнительно окружено сборкой размером ок. 10–50 концентрических цилиндров, каждый из которых разделен очень тонкой органической прослойкой, и эта стратегия проектирования способствует значительному увеличению прочности материалов.




Стекло спикулы расположено концентрическими слоями, которые очень похожи на кольца деревьев.




Такая механическая конструкция позволяет спикулам больше изгибаться перед тем, как сломаться, и, следовательно, делает крепление губки более надежным




Благодаря этим слоям спикулы Euplectella aspergillum можно согнуть примерно в 2,4 раза больше, чем спикулы других губок, но без слоев в их структуре




Спикулы можно рассматривать как источник вдохновения для новых стратегий проектирования, в которых удельная прочность конструкции может быть увеличена путем изменения ее внутреннего эластичного состава

Благодаря подробному анализу этих сложных скелетных материалов можно извлечь полезные уроки проектирования, которые можно использовать для руководства синтезом синтетических конструкций с новыми показателями производительности




Например, можно представить себе составные балки, внутренняя упругая неоднородность которых приводит к распределению напряжений, которое становится все более однородным по мере деформации балки.




В этих губках используется точное количество материала, необходимого для решения проблем, связанных с прочностью и стабильностью.




Архитектура стальных балок швейцарской башни Re Tower Norman Foster (180 м), возведенной в Лондоне в 2004 году, была вдохновлена структурой такой губки, каркас которой отличается большой механической жесткостью и интересной стабильностью для очень

Кроме того, система вентиляции здания имитирует процесс циркуляции воды губкой для получения питательных веществ.








Эти многослойные лучи в конечном итоге могут быть использованы для создания ракет, самолетов и космических сред обитания, которые будут значительно легче и, следовательно, более эффективными, чем те, которые мы используем сегодня

В некотором смысле секреты дизайна со дна океана могут в конечном итоге помочь нам исследовать новые миры.




Цветочная корзина Венеры является стеклянной губкой Porifera

Спикулы также представляют интерес для исследователей волоконной оптики .