«Броня» арапаимы

Что произойдет, если в водоем со стаей голодных пираний запустить рыбку другого вида? Если учесть, что у пираний гильятиноподобный укус, а характер кровожадный, ответ напрашивается сам собой. Однако ситуация меняется, когда речь заходит о рыбке арапаиме (Arapaima gigas). Она не восприимчива к укусам этих хищников, вследствие тонкоструктурированного чешуйчатого покрова, который инженеры назвали гибкой керамикой.

Толчком к исследованию строения кожи арапаимы послужили итоги экспедиции по бассейну реки Амазонка, совершенной несколько лет назад Марком Мейерсом (Marc Meyers), профессором Инженерной школы Джейкоба Юниверсити-Колледж Сан-Диего. Было обнаружено, что чешуйчатый покров необычных рыб выполняет защитную функцию и позволяет им сосуществовать вместе с пираньями в озерах, отделяющихся от Амазонки в период засухи.

Ученые провели лабораторные исследования, в которых с использованием машины, похожей на промышленный дырокол, создали модель нападения пираний на арапаиму. Зубы хищников крепились к вершине аппарата, которым затем начинали щипать чешую жертвы, подстилаемую мягкой подложкой, воспроизводящей мышечную ткань. Зубы частично протыкали чешую, однако ломались, не достигая мягких тканей. Результаты работы были представлены в журнале «Advanced Biomaterials».

Чешуя Arapaima gigas имеет многослойную композиционную структуру, состоящую из внешнего минерализованного (толщина 600 мкм) и внутреннего ламинатного слоя (1000 мкм). Диаметр коллагеновых волокон внутреннего слоя составляет примерно 1 мкм. Они одинаково выровнены на уровне отдельных ламелл (в составе внутреннего слоя — 50 мкм каждая), однако имеют вид ортогональной структуры при сравнении рядом расположенных ламелл. Изучение тонкой структуры внешнего слоя при помощи рентгеновских лучей показало высокую концентрацию кальций-обедненного гидроксиапатита. Процентное содержание кальция во внешнем слое значительно выше по сравнению с внутренним, и, соответственно, выше его твердость (550 против 200 МПа, соответственно). Проверка прочности чешуи, проведенная в сухих и влажных условиях, показала, что прочность и жесткость зависит от степени гидратации. В большинстве биологических материалов модуль упругости зависит от скорости деформации. В случае чешуи арапаимы, модуль упругости был выше в 10 раз, чем у кости.

Смесь материалов подобна твердой эмали зубов, находящейся поверх более мягкого дентина. По словам Мейерса, слоистая структура, включающая жесткий наружный и мягкий внутренний слой, очень распространена в природе и обладает особой прочностью.

Чешуя арапаимы может стать прекрасным примером для создания бронежилетов, топливных баков или иных материалов, используемых в космонавтике.

Профессор заявил, что область биомиметики, научной дисциплины, занимающейся исследованием материалов природного происхождения, в последнее время пользуется особой популярностью, так как инженеры в области синтеза традиционных материалов все чаще бьются головой об стену, и их изыскания оказываются не продуктивными.

В разработке и производстве сверхпрочных материалов воображение человека работает на максимуме своих возможностей, при этом часть идей появляется во время препарирования живой природы.

Стоит отметить, что местное население Амазонки иногда использует чешую арапаимы (достигает 10 см в длину) в качестве пилки для ногтей. Гофрированная поверхность остается интактной при перемещении рыбки, в то время как чешуйки могут слегка изгибаться, не ломаясь.

——
Lin Y.S., Wei C.T., Olevsky E.A., Meyers M.A.Mechanical properties and the laminate structure of Arapaima gigas scales. J Mech Behav Biomed Mater. 4 (7) : 1145-56. 2011.
www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/21783123
www.sсiеnсеdаily.соm/rеlеаsеs/2012/02/120209101841.htm