Паучьи сети: загадки и открытия
В то время как искусственные паутинки украшают множество домов в этот сезон призраков и привидений, настоящие паутинки могут демонстрировать свои собственные украшения. Круговые паутинные сети — разновидность в форме колеса, встречающаяся в лесах и садах — часто имеют дополнительные элементы, называемые «стабилиментумами», сделанные из зигзагообразных слоёв прочного шёлка.
Эти структуры паутинок имеют разнообразную геометрию, но пока их истинное назначение остаётся для исследователей сложной задачей.
С помощью моделирования исследователи из Швеции и Италии, возможно, наконец-то разгадали эту восьминогое тайну. Их результаты показывают, как эти шёлковые структуры могут распространять определённые типы вибраций, вызванных добычей, по всей паутинке, помогая паукам обнаруживать свою добычу издалека.
Круговые паутинные сети имеют характерный узор, с толстыми, структурными нитями, расходящимися от центра, и тонкими, липкими нитями, спиралевидно идущими от края. Эта синергия между механическими свойствами и сложной геометрией придаёт круговым паутинкам прочность и эластичность, почти беспрецедентную в природе.
Когда несчастное насекомое попадает в липкие спиральные нити круговой паутинки, его борьба вызывает шквал вибраций по всей паутинке во всех направлениях, которые поджидающий паук может обнаружить с помощью специальных волосков на своих лапах. «Паук реагирует почти мгновенно — обычно менее чем за секунду — и устремляется к добыче», — объясняет Габриэле Греко из Шведского университета сельскохозяйственных наук, возглавлявший исследование.
Кругопрядные пауки часто дополняют свои паутинки стабилиментумами, предполагая, что эти структуры дают паукам преимущество. Однако исследователи не смогли чётко определить это преимущество, отчасти потому, что стабилиментумы бывают самых разных стилей. «Даже один и тот же паук может менять дизайн своего стабилиментума от одной паутинки к другой, добавляя ещё один уровень сложности к головоломке», — говорит Греко.
Новый вид столкновений на Большом адронном коллайдере
Чтобы разгадать эту тайну, команда Греко начала с обследования трёх диких популяций кругопрядных пауков-ос (Argiope bruennichi), документируя огромное разнообразие дизайнов стабилиментумов: от ветвей от края до края до централизованных круговых платформ. Затем исследователи ввели эти геометрические данные в компьютерные симуляции, позволив им смоделировать, как упругие волны распространяются по нитям, когда добыча ударяет по паутинке.
Используя метод конечных элементов — широко используемый подход в инженерии для расчёта воздействия механических вибраций в автомобилях, самолётах и других машинах — исследователи рассматривали каждую радиальную нить как растянутый, упругий элемент, с весом паука, распределённым по восьми точкам, где его лапы касаются паутинки. Удары добычи моделировались как короткие импульсы, прикладываемые в разных положениях и направлениях, что позволяло команде отслеживать, как вибрации распространяются по паутинке.
Исследования были сосредоточены на трёх типах вибраций: поперечных (вне плоскости паутинки), нормальных (в плоскости, движущихся радиально) и тангенциальных (в плоскости, движущихся вдоль одной из спиральных нитей паутинки). Для поперечных и нормальных вибраций команда обнаружила, что присутствие стабилиментума вызывает незначительную задержку в распространении, которая слишком мала, чтобы мешать обнаружению добычи. Однако для тангенциальных вибраций «стабилиментум, по-видимому, усиливает передачу сигнала на противоположную сторону паутинки, повышая обнаруживаемость», — объясняет Греко.
Несмотря на геометрию стабилиментума, команда обнаружила, что структура перераспределяет тангенциальные вибрации паутинки с одной спиральной нити на несколько радиальных нитей — именно в тех точках, где паук располагает свои лапы. В результате паук может использовать тангенциальные вибрации своей паутинки, наряду с поперечными и нормальными вибрациями, чтобы найти свою добычу.
Исследователи говорят, что потребуется дополнительная работа, чтобы определить точные механизмы, участвующие в этом перераспределении. Более глубокое понимание стабилиментумов может вдохновить на разработку метаматериалов, которые можно было бы использовать для управления вибрациями в акустических фильтрах и других устройствах, говорит Греко.
«Исследование впервые предоставляет анализ того, как стабилиментумы могут тонко настраивать динамические свойства паутинки», — комментирует Джузеппе Флорио, физик из Политехнического университета Бари в Италии, который не участвовал в исследовании. Он считает, что механическое понимание, полученное в результате исследования, может стать важным первым шагом к созданию биоинспирированных материалов с настраиваемым, зависящим от направления распространением волн.
Большой адронный коллайдер (БАК) в ЦЕРН
Истинный смысл своего названия, Большой адронный коллайдер (БАК) в ЦЕРН сталкивает релятивистские пучки адронов, обычно протонов, и атомных ядер, состоящих из адронов, таких как кислород, ксенон и свинец. Физики надеются, что энергия, сконцентрированная в этих столкновениях, породит невиданные ранее частицы и взаимодействия. Но согласно некоторым теориям за пределами стандартной модели, релятивистские пучки адронов могут уже включать экзотические частицы ещё до того, как произойдёт какое-либо столкновение.
Серхио Барбоза из Федерального университета ABC в Бразилии и его коллеги предположили, что доказательства этих частиц — в частности, лёгких кандидатов в тёмную материю, известных как аксион-подобные частицы (АЛП), — могли быть обнаружены в данных о столкновениях, собранных на БАК почти десять лет назад.
АЛП появляются в теории струн и других теориях, предполагающих дополнительные пространственные измерения. Физики безуспешно искали АЛП в микроволновых резонаторах, в жидких сцинтилляторах и в субатомных осколках столкновений частиц. Если они существуют, то должны генерироваться вместе с фотонами, когда заряженные частицы ускоряются почти до скорости света.
Исследователи рассчитали, что наиболее сильные признаки АЛП должны быть обнаружены для столкновений АЛП–фотонов во время запусков БАК с участием как протонов, так и ядер свинца. Такой запуск был проведён в 2016 году, но пока никто не проанализировал данные на предмет характерной сигнатуры.