Этого жука не может раздавить даже машина. В чем его секрет?
В мире существует огромное количество животных, о которых не рассказывается в школьных учебниках по биологии. В них нет ничего непристойного, просто для того, чтобы рассказать обо всех живых организмах нашей планеты, не хватит и тысячи книг. В мире существует жук, который способен выдержать нагрузку, в 39 тысяч раз превышающую его собственный вес. То есть, если его переедет тяжелый автомобиль, с ним ничего страшного не произойдет. Максимум, что он сделает — отряхнется и пойдет дальше по своим делам. Речь идет о жуках вида Nosoderma diabolicum, которые также известны как «броненосцы». Ученые долго не могли понять, какая особенность строения их тела обеспечивает им такую прочность. Недавно найти ответ на этот вопрос удалось благодаря микроскопу и 3D-принтеру. Если скопировать особенности строения их тела, можно будет создать прочную обувь и даже автомобили.
Так выглядит жук Nosoderma diabolicum
Самые крепкие жуки
О необычных жуках и их особенностях было рассказано в научном издании Nature. Насекомые обитают в засушливых районах западного побережья США. Они окрашены в черный цвет и практически незаметны на коре деревьев и тем более на асфальте. Они безобидны для людей, но сами постоянно рискуют попасть в неприятности. Ведь они незаметны и то и дело могут попасть под ноги людей или колеса автомобилей. А если они оказываются на светлой поверхности, они становятся очень заметными и на них нападают птицы. Но благодаря своей прочности они не могут быть раздавлены и съедены птицами. По сути, эти «крепкие орешки» из дикой природы. Благодаря своей рекордной прочности, они живут до 8 лет.
Размер жуков Nosoderma diabolicum составляет всего лишь несколько миллиметров
Недавно ученые из калифорнийского города Ирвайн решили выяснить, какая именно особенность тела придает жукам удивительную прочность. Чтобы выяснить это, они вооружились микроскопом и наблюдали за изменением формы их тела при сдавливании. Каким именно образом это стало возможно не ясно, в они точно использовали компьютерную томографию. Эта технология позволяет буквально заглядывать внутрь организмов и предметов, поэтому в проведенном исследовании она очень даже пригодилась.
Посередине показано место крепления надкрыльев
А вы знаете, что насекомые и пауки стремительно исчезают с лица Земли? Вот чем это грозит.
Строение тела насекомых
Практически у всех летающих насекомых есть две пары крыльев. Первая пара называется надкрыльями и она гораздо жестче второй пары, которая и используется во время полета. Так вот, у жуков вида Nosoderma diabolicum надкрылья состоят из белков, которые придают им дополнительную прочность. Эти белки есть и в других частях насекомых, но в надкрыльях их на 10% больше. К тому же, первая пара крыльев скреплены между собой по центральной линии как детали пазла. Если сильно надавить на спину насекомого, две части надкрыльев начинают медленно расходиться, но при этом они не отделяются друг от друга. При этом нагрузка равномерно распределяется по телу и жук остается целым. Исследователи считают, что остальные летающие насекомые не способны выдержать и половины нагрузки, которую порой испытывают «броненосцы».
Чтобы проверить, действительно ли конструкция надкрыльев настолько сильно повышает прочность насекомых, ученые воссоздали ее на 3D-принтере. Оказалось, что необычное строение тела жуков действительно играет основную роль в их способности выдерживать большие нагрузки. Есть надежда, что новые знания помогут ученым создать конструкции, которые будут такими же прочными, как и эти жуки. Например, может появиться возможность сборки прочных автомобилей или обуви, которым не страшна большая нагрузка.
Если вам интересны новости науки и технологий, подпишитесь на наш Telegram-канал. Там вы найдете анонсы свежих новостей нашего сайта!
Как видно, в мире действительно существует огромное количество живых созданий, о существовании которых мы даже не подозревали. Возможно, вы также не знаете о существовании муравьев-бульдогов (Myrmecia pilosula). Они считаются самыми опасными в своем роде. Официально об их существовании стало известно в 1858 году. Практически все они окрашены в черный цвет, но на теле также есть крошечные волоски серого цвета. Подробнее об этих и нескольких других опасных муравьях нашей планеты можно почитать в этом материале.
Жук которого нельзя раздавить
Дьявольских жуков-броненосцев практически невозможно раздавить, вы можете ударить по ним, наступить или переехать на машине, и они все равно убегут целыми и невредимыми.
Теперь ученые знают, почему внешние крылья этих жуков, известные как надкрылья, такие крепкие — они состоят из ряда плавно соединяющихся частей головоломки. Геометрия и внутренняя структура этой конструкции увеличивают прочность панциря жука.
Жуки-броненосцы (лат. Phloeodes diabolicus) имеют длину от 0,6 до 1 дюйма (от 15 до 25 миллиметров) и обитают в лесных средах на западе Северной Америки, где они прячутся под корой деревьев. Хотя их предки умели летать, жуки-броненосцы давно утратили эту способность, и их надкрылья слились воедино, образуя устойчивую к раздавливанию оболочку.
Энтомологи слишком хорошо знакомы с прочностью этих конструкций. Попытки закрепить образцы жуков-броненосцев для изучения, демонстрации и хранения часто заканчиваются неубитым насекомым и грудой изогнутых стальных булавок, написали ученые в своем новом исследовании, опубликованном 21 октября в журнале Nature.
Исследователи провели испытания жуков на сжатие, чтобы увидеть, сколько силы могут выдержать их оболочки, прежде чем они расколются. Они обнаружили, что жуки-броненосцы могут противостоять непрерывным силам до 149 ньютонов или 33 фунтам (15 килограммам). Согласно исследованию, это примерно в 39 000 раз больше массы тела жуков и более чем в два раза больше, чем может выдержать другие виды наземных жуков.
Пазл раскрылся
Микроскопический анализ поперечных сечений экзоскелета показал, что боковые опорные структуры делают одни части надкрылий более жесткими, чем другие, для равномерного распределения веса по спине жука и защиты его органов. А дальнейшее усиление идет на стык надкрылий.
Исследователи сообщили, что у летающих сородичей жука-броненосцев надкрылья сращиваются в «гребенчатую конструкцию», что позволяет им плавно открываться, закрываться и выпускать нижние крылья для полета. Но у жуков-броненосцев надкрылья срослись вместе, как кусочки мозаики по длине брюшка насекомого. Выступающие части этих взаимосвязанных частей, называемые лопастями, также распределяют давление по экзоскелету, предотвращая его растрескивание.
Фото. Внутренняя структура оболочки жука-броненосца
Когда исследователи напечатали на 3D-принтере образцы для проверки прочности соединений, они обнаружили, что швы с пятью выступами были самыми жесткими и могли выдерживать более тяжелые нагрузки. Ученые также обнаружили слоистые микроструктуры в поперечных сечениях, которые еще больше отводили давление от наиболее уязвимых частей, защищая узкие «шейки» взаимосвязанных частей корпуса от разломов и фактически заставляя части более надежно сцепляться друг с другом.
Выявление биологической архитектуры, которая делает экзоскелеты этих жуков практически неразламываемыми, может помочь инженерам создавать более ударопрочные конструкции, и исследователи проверили это с помощью собственных разработок, напечатанных на 3D-принтере.
«Мы демонстрируем это, создавая переплетенные швы из биомиметических композитов, которые показывают значительное увеличение прочности по сравнению с часто используемым инженерным соединением», написали ученые в своем исследовании.
У сверхпрочного жука раскрыли секрет прочности
Дьявольский жук-броненосец защищён от врагов сложной бронёй.
У насекомого под колёсами машины шансов нет – его просто раздавит. Но есть одно исключение: жук по имени Nosoderma diabolicum, или дьявольский жук-броненосец – diabolical ironclad beetle. Это нелетающий жук размером 15–25 мм из засушливых районов западного побережья США. Живут Nosoderma diabolicum сравнительно долго, до восьми лет, не опасаясь, что их кто-нибудь съест, что и понятно – не всякий хищник найдёт подход к жуку, который выдерживает вес машины.
Исследователи из Калифорнийского университета в Риверсайде рассказывают в Nature, в чём секрет сверхпрочности жука. Очевидно, дело тут в каких-то особенностях экзоскелета. У обычных летающих жуков крылья прикрыты жёсткими надкрыльями, которые нужно раздвинуть и приподнять, когда тебе нужно куда-то лететь. Но дьявольский жук-броненосец перестал летать очень давно, и ничего раздвигать и приподнимать ему не нужно. Его надкрылья срослись в единый щит, покрывающий большую часть тела. Туловище под надкрыльями покрыто хитиновым покровом. Оказалось, щит из надкрыльев особым образом соединён с хитиновым покровом на туловище: они соединены, как две ребристые поверхности, когда рёбра верхнего слоя входят во впадины нижнего, и наоборот.
При этом спереди и сзади такое соединение выглядит немного по-разному. Спереди верхний щит соединяется с туловищем очень прочно – получается жёсткое, негнущееся соединение. Сзади же верхняя и нижняя части брони могут слегка скользить друг относительно друга. По словам авторов работы, всё это позволяет наиболее надёжно защитить самые важные органы, которые находятся в передней части тела, и одновременно распределить давление и частично абсорбировать его.
Дополнительной прочности жуку добавляет то, как соединяются его левое и правое надкрылья. На их краях есть выступы-микрозубчики, как на кусочках пазла, и надкрылья соединяются так же, как мы складываем из кусочков пазла складную картинку. Более того, соединяющие выступы не однородные по материалу, а состоят из слоёв плотного вещества, соединённых белковым клеем. Когда на жука что-то давит, в белковых прослойках появляются крохотные трещины. Трескающийся белковый клей опять же помогает поглотить внешнюю силу: вся структура щита остаётся целой, броня жука не ломается, а повреждения в белковых слоях потом легко восстановить.
Все вместе эти особенности позволяют дьявольскому жуку-броненосцу выдерживать давление в 39 тыс. раз больше его собственного веса. Человек с такой бронёй смог бы выдержать вес сорока танков. Разбить клювом или разжевать жука невозможно – можно только проглотить целиком.
Возможно, Nosoderma diabolicum подскажет инженерам какие-нибудь идеи для сверхпрочных материалов, которые могли бы найти самое широкое применение – достаточно представить человека, облачённого в какой-нибудь экзоскелет аналогичной прочности.
Раскрыт секрет «дьявольского жука», выдерживающего наезд автомобиля
Жук вида P. diabolicus выдерживает даже наезд автомобиля.
Фото Jesus Rivera/Kisailus Biomimetics and Nanostructured Materials Lab/University Of California, Irvine.
Надкрылья необычного жука соединены как детали пазла.
Иллюстрация Purdue University/Maryam Hosseini, Pablo Zavattieri.
Учёные раскрыли секрет необычайной природной прочности панциря жуков вида Phloeodes diabolicus. Этих насекомых не сможет раздавить не только зазевавшийся человек, но даже случайно наехавший автомобиль.
Позаимствовав у эволюции это поразительное техническое решение, инженеры теперь смогут создавать сверхпрочные конструкции.
Достижение описано в научной статье, опубликованной в журнале Nature.
Жук вида Phloeodes diabolicus (он же Nosoderma diabolicum) внешне ничем не примечателен. Он имеет размеры 1,5–2,5 сантиметра, живёт под корой деревьев и не умеет летать. При виде опасности это создание, как и многие другие насекомые, притворяется мёртвым.
Чтобы оценить эту букашку по достоинству, нужно попытаться её проткнуть или раздавить. P. diabolicus относится к семейству (по другой классификации, подсемейству) Zopheridae, или жуков-броненосцев. Они отличаются необычайно твёрдым хитиновым панцирем. Но P. diabolicus выделяется даже из этого ряда. Не зря он носит видовое название diabolicus – «дьявольский».
Этого жука не в силах раздавить даже очень сильный человек. Более того, насекомое выдерживает наезд легкового автомобиля на грунтовой дороге (что показано в приведённом ниже видеоролике).
Конечно, когда машина проезжает по жуку, её вес распределён по четырём довольно широким колёсам. При этом только крошечная часть одного колеса соприкасается с насекомым. Поэтому членистоногое принимает на себя силу лишь в 100 ньютонов (вес десятикилограммового груза). Но разве и эта цифра не впечатляет? Представьте себе десятилитровое ведро воды, не опирающееся ни на что, кроме миниатюрного жука.
Зачем насекомому подобная стойкость? Ответ прост: это прекрасная защита от хищников, пытающихся его съесть.
Но для учёных интереснее другое: что придаёт броне «дьявольского жука» такую неслыханную прочность? Авторы нового исследования нашли ответ на этот вопрос.
Для начала экспериментаторы проверили, какую силу нажатия способно выдержать это животное. Оказалось, что предел прочности особей вида P. diabolicus – около 150 ньютонов. Это в полтора раза больше, чем при наезде автомобиля, и в 39 тысяч раз больше веса самого жука.
Установив этот впечатляющий факт, учёные пристально изучили строение тела «дьявольских жуков». Особенно их интересовал стык между надкрыльями.
Напомним, что надкрылья у жуков – это жёсткие видоизменённые крылья. Они служат защитной оболочкой для брюшка (отдел тела насекомых, расположенный за головой и грудью). По всей длине брюшка жука пролегает так называемый шов – стык двух надкрылий.
Каждый, кому доводилось раздавить какого-нибудь жука, замечал, что при этом его надкрылья расходятся в стороны по шву. Это естественно: надкрылья обычно не срастаются друг с другом, а просто соприкасаются. И, как гласит пословица, где тонко, там и рвётся (точнее, в данном случае расходится по стыку). Отодвинуть надкрылья друг от друга куда легче, чем сломать одно из них. Так и у сделанных человеком предметов самое уязвимое место – стыки, швы и прочие соединения.
Однако у P. diabolicus надкрылья сцеплены друг с другом буквально намертво. Они не расходятся даже под очень большим давлением.
Использовав тонкие методы микроскопии, исследователи выяснили структуру шва. Оказалось, что края надкрылий имеют сложную структуру. Они вкладываются друг в друга, как кусочки пазла, а не просто прилегают друг к другу, как два листа бумаги.
Особая форма этих выпуклостей и впадин, а также их количество (в среднем пять у одного жука) обеспечивает чрезвычайно прочное соединение. И даже когда шов уже не выдерживает давления, надкрылья расходятся постепенно, рассеивая приложенную энергию и до последнего защищая жизненно важные органы жука.
Учёные создали модель шва между надкрыльями P. diabolicus, напечатав нужные детали из углеродного волокна на 3D-принтере. Испытания показали, что подсмотренная у жука «застёжка» очень эффективна. Она скрепляет детали не хуже соединений, применяемых в космической промышленности.
Исследователи надеются, что теперь ноу-хау эволюции найдёт широкое применение в технике. Инженеры давно ищут способ эффективно скреплять детали из разнородных материалов (например, металлические с пластиковыми). Для этого есть несколько методов, но все они имеют свои недостатки. Подобные «соединения несоединимого» остаются ахиллесовой пятой конструкций. Возможно, подсмотренное у невзрачного жука техническое решение позволит решить эту проблему.
К слову, ранее Вести.Ru рассказывали о том, как насекомые вдохновили конструкторов на создание новых солнечных батарей и беспилотников.
Экзоскелет дьявольского броненосца в разрезе
Благодаря описанным системам защиты Nosoderma diabolicum способны пережить наезд довольно крупного автомобиля. Это весьма странно, если вспомнить, что упомянутая самодвижущаяся техника появилась относительно недавно, и жуки просто не успели бы эволюционно выработать защиту от этой угрозы. Шутка, конечно же. Наличие прочной брони связано, скорее всего, с тем, что эти жуки не умеют летать. Для насекомых быть постоянно прикованными к земле очень опасно. Здесь могут не только раздавить, но и съесть, в том числе птицы с очень крепкими клювами.
Адаптации, выработанные дьявольскими броненосцами, вполне способны принести пользу и людям. Прекрасно известно, что ученые обожают черпать идеи для новых открытий в живой природе, а изучение Nosoderma diabolicum, возможно, покажет, как можно соединять друг с другом разные материалы, не ослабляя их общую структуру. Сегодня для этой цели используются различные крепежи, болты, заклепки, клеи и гвозди, однако они часто не надежны, склонны разбалтываться и порой значительно утяжеляют конструкцию. Воспроизведя же то, чем обладают дьявольские броненосцы, можно научиться крепить различные детали на немыслимом ранее уровне прочности.
