Микроскопическая особенность плавников морских бычков может помочь им крепче держаться за окружающую среду
На омываемом волнами скале в северной части Тихого океана рыба, называемая морским бычком, крепко держится за поверхность, чтобы сохранять устойчивость в суровых условиях.
В отличие от морских ежей, которые используют свои трубчатые ножки, выделяющие клей, чтобы прилипать к окружающей среде, морские бычки умудряются держаться без специального адгезивного органа, такого как трубчатые ножки или присоски осьминогов.
Почему это важно и почему учёные так стремятся это понять?
Морские организмы, процветающие в условиях высокой энергии, служат отличными естественными моделями для разработки более эффективных и действенных устройств, созданных человеком, таких как роботы, захваты и адгезивы. Улучшенные адгезивы могут оказать широкое влияние: от совершенствования медицинских устройств до создания шин с лучшим сцеплением с дорогой.
Группа исследователей из Сиракузского университета и Университета Луизианы в Лафайете, специализирующихся на функциональной морфологии — как форма и структура организма помогают ему функционировать, — недавно обнаружила у морских бычков новую и удивительную особенность сцепления.
Они нашли микроскопические особенности на плавниках, которые потенциально позволяют им крепко держаться за поверхности под водой, борясь с течениями и волнами.
Их результаты опубликованы в журнале Royal Society Open Science.
«Чтобы не быть унесёнными течением, этим морским бычкам нужен другой способ удерживать себя на месте», — говорит Эмили Кейн, профессор биологии в Университете Луизианы в Лафайете, которая является соавтором исследования вместе с Остином Гарнером, профессором биологии в Сиракузском университете.
Одна из особенностей, которая отличает эту группу, — это видоизменение их грудных плавников таким образом, что нижняя часть имеет уменьшенное перепонки, что позволяет лучам плавника выступать дальше, чем сам плавник. Они могут использовать их, чтобы держаться за камни или другие субстраты, но у некоторых видов есть дополнительные модификации, которые позволяют им ходить и выполнять сенсорные функции.
Предыдущие исследования показали, что морские бычки используют гидродинамические механизмы — например, маленькое обтекаемое тело и использование плавников для создания отрицательной подъёмной силы — для поддержания равновесия и сцепления. Кроме того, были описаны физические механизмы, такие как захват субстрата гибкими лучами плавников в нижней части плавника (похожие на пальцы).
Это исследование документирует новую текстуру поверхности, предполагая, что эти нижние лучи плавников могут также создавать трение или адгезию на микроскопическом уровне, ещё больше усиливая их сцепление.
Кейн и её команда впервые обнаружили эти особенности во время полевых работ летом 2022 года в бухте Фрайдей-Харбор в Вашингтоне. Наблюдая за плавниками на микроскопическом уровне с помощью сканирующего электронного микроскопа, она сразу же распознала сходство между особенностями морских бычков и тонкими волосками на лапах гекконов. Затем она связалась с Гарнером, который является экспертом в области адгезии и прикрепления животных.
«Моя лаборатория интересуется тем, как животные взаимодействуют с поверхностями в своей среде во время как стационарных, так и двигательных поведенческих актов, особенно у тех организмов, которые используют специальные органы прикрепления для адгезивного или фрикционного взаимодействия», — говорит Гарнер, который также является членом BioInspired Institute в Сиракузах, где исследователи сотрудничают, чтобы разрабатывать и проектировать умные материалы для решения глобальных задач.
Команда сосредоточилась на таких характеристиках, как плотность, площадь и длина, чтобы описать текстуру кожи на лучах плавников.
Гарнер отмечает, что их работа — первое описание этих микроструктур на лучах плавников морских бычков. «Мы не только описали форму и конфигурацию этих структур в этой работе, но и выдвинули проверяемые гипотезы, которые служат прочной интеллектуальной основой для продолжения наших исследований по этой теме», — говорит он.
Какие перспективы у будущих исследований и могут ли изучения этих структур привести к разработке новых биомиметических адгезивов для общественного использования?
Гарнер предполагает, что форма и функции плавников морских бычков могут быть эффективно интегрированы в биомиметических роботов или захваты для подводной навигации и исследования. По мере продвижения исследований их команда ожидает, что понимание микроструктур на плавниках морских бычков откроет новые возможности для проектирования синтетических прикрепляющих устройств, которые могут надёжно крепиться, но при этом легко открепляться, даже под водой.
Кто знает, возможно, однажды подводный робот с захватами, вдохновлёнными морскими бычками, будет исследовать глубины океана и совершать прорывы в мире биомиметических технологий.
Источник: Сиракузский университет.