Hajar skiftar ryggraden i högväxel | natur

Hajar skiftar ryggraden i högväxel | natur

Anonim

ämnen

  • biomekanik

Det framgår att ryggraden på en hundfiskhaj blir styvare när fisken simmar snabbare, vilket gör att djuret kan simma effektivt i olika hastigheter. Upptäckten kan också ge inspiration för design av robotbiomaterial.

Den svåra böljningen av en haj som kryssar längs ett rev ger en liten antydning om fiskens potential att släppa loss en spräng av höghastighetsrörelser när han bedriver rov. Skrivande i Journal of Experimental Biology , Porter et al . 1 avslöjar hur de strukturella egenskaperna hos det icke-beniga, broskbeniga skelettet hos den spiny hundfiskhajen ( Squalus acanthias ) gör att denna fisk kan växla sömlöst mellan lågfartkryssning och höghastighetssimning.

En grundprincip för vattenlevande rörelse är att snabb simning kräver en styv ryggrad 2 . En styvare kropp minskar dragkraften och ökar energieffektiviteten (Fig. 1). Däremot kräver acceleration en flexibel ryggrad för att tillåta en fisk att krossa sin kropp i en plötslig rusning 3 . Det föreslogs 2 att tjocka fibrer i en hajhud ökar fiskens styvhet när den simmar snabbare. Den här hypotesen är attraktiv, men har motstått experimentell verifiering på grund av svårigheten att få hajar att simma snabbt i ett laboratorium medan de är kopplade till högteknologisk instrumentering.

a, Vattendjur (blå virvlar runt) runt en simande fisk skapar drag som bromsar djuret. Pilarna indikerar vatten som rör sig bort från fiskens rörelseriktning och bidrar till att dra. Om en fisk har en flexibel ryggrad skapar detta en ineffektiv badställning för snabb rörelse eftersom den genererar hög dragkraft. Flexibel ryggradsrörelse kan emellertid vara användbar för att tillåta snabb acceleration. b, Om en fisk har en styvare ryggrad möter den mindre drag och kan simma effektivt med hög hastighet. Porter et al . Jag studerade egenskaperna hos ryggraden hos hundfiskhajen ( Squalus acanthias ) vid olika simningshastigheter. Författarna fann att fiskens ryggrad blir styvare när hajen simmar snabbare, vilket möjliggör effektiv rörelse beroende på fiskens hastighet.

Bild i full storlek

Porter et al . undersökte hajframdrivning från en annan riktning. I stället för att betrakta fiskens yttre gick de rätt till sakens kärna: ryggraden eller ryggraden. Hos beniga djur är ryggraden i ryggraden mineraliserade, styva, beniga strukturer som inte ändrar form märkbart under rörelse. Rörelse i ryggraden hos ben djur sker genom förändringar i formen av de mellanväxtskivorna - elastiska, men ganska fasta strukturer som ligger mellan enskilda ryggkotor. Dessa skivor består av en yttre ring av fibrös bindväv som innesluter en gelatinös kärna. Däremot har hajar ett huvudsakligen broskskelett: deras kotor, såväl som deras intervertebrala skivor, är tillverkade av brosk, och ryggkotorna är så dåligt mineraliserade att de är potentiella platser för deformation.

I tidigare in vivo- och in vitro- arbete av forskare från samma laboratorium 4 hade hajar små piezokristallbaserade bildskärmar implanterade på sina ryggkotor. Dessa sensorer avger och upptäcker ultraljud, vilket gör det möjligt att mäta mellan-kristallavstånd med mikrometer-skala noggrannhet. Forskarna visade att ryggkotorna själva deformerades, inte bara mellanväxtskivorna. Detta tidigare arbete visade att hajkotens kolumn inte kunde förenklas som en serie mjuka anslutningar mellan styva block, och istället är en struktur som kan varieras deformerat över hela sin längd.

”Det totala resultatet var en finskalig förståelse av förhållandet mellan spinal deformation och simningshastighet.”

För att undersöka förändringar i haj-ryggraden under simning, Porter et al . böjda skurna ryggradspelare i samma vågliknande rörelser som observeras under olika simningshastigheter. Författarna använde dessa in vitro- experiment, tillsammans med datormodellering, för att bestämma längdförändringarna som inträffar över ett ryggradssegment (en serie av tio ryggkotor och nio ryggradar) när hundfiskhajen simmar. De registrerade motsvarande ryggradeformationer som inträffade under rörelser som sträckte sig från den lata svansen på en kryssningshaj till den allvarliga bristen som föregick rovfångsten. Det totala resultatet var en finskalig förståelse av förhållandet mellan spinal deformation och simningshastighet.

När en haj simmar lagras energin som används för att böja ryggraden och frigörs sedan när ryggraden rätar ut, vilket ger energi för framåtrörelse. Porter och kollegas arbete visar att, i simhägar, deformation av ryggkotorna och mellanvertebrala skivor bidrar till den lagrade energin. Författarna observerade också att, när hajar simmar snabbare, blir ryggraden styvare. Böjningen av en styvare ryggraden ökar den lagrade energin som kan användas för att driva rörelse framåt och gör att hajen kan simma snabbare med större effektivitet. Detta är en vattenekvivalent för kontinuerlig variabel växellåda, en typ av växlingssystem som finns i vissa motorscoter som kontinuerligt svarar på ett brett varvtal.

Vad är den strukturella grunden för hajens anmärkningsvärda varierande ryggradens egenskaper? Brosk är ett vattenbelastat, fiberförstärkt material. Det är en typ av mellanämne, varken ett elastiskt fast ämne som gummi eller metall eller en rörlig vätska som kaffe. Istället tillhör brosk kategorin viskoelastiska material - material som motstår deformation på olika sätt när de ändrar längd med olika hastigheter. Ett exempel på ett viskoelastiskt material är leksaken Silly Putty, som kan dras hårtunt när det dras långsamt, men som bryts isär innan du sträcker om det får en plötslig dragning.

Mellanvertebrala skivor, som är gjorda av det slingrande sammansatta materialbrosket, har den viskoelastiska egenskapen att bli styvare när de plötsligt ansträngts. Det är därför de gör så dåliga stötdämpare när någon låser knäna rakt för att hoppa av ett steg. Trots detta kan dessa strukturer genomgå gradvis komprimering. Under en dag komprimeras mänskliga intervertebrala skivor långsamt under den vikt de bär, vilket lämnar människor kortare på natten än på morgonen 5 . Portörens och kollegornas arbete visar att, liksom den mänskliga versionen, visar fiskens intervertebrala skivor den viskoelastiska egenskapen till en ökad styvhet när strukturen snabbt ansträngs.

Ansökningar om upptäckter gjorda av Porter et al . kan uppstå i en värld av mjuk och bioinspirerad robotik, med tanke på att det finns mikroroboter som har utformats med simmönster och anatomi hos skridskor, en annan typ av broskfisk, som inspiration 6 . Denna upptäckt av kontinuerligt variabel överföring i hajar kan göra det möjligt för robotkonstruktörer att konstruera lätta, energieffektiva rörelsessystem som kräver få rörliga delar och har potentiellt låga slitagivåer eller lite behov av reservdelar.

Porter och kollegas fynd belyser svårigheten att karakterisera dynamisk mekanik i sammansatta biologiska material, ett forskningsområde som kan revolutionera design genom att introducera material vars fysiska konformation kan förändras för att passa olika roller. I en tid av klimatförändringar och ökande miljöföroreningar letar uppfinnarna allt mer på naturen för inspiration när de försöker bygga rena och effektiva maskiner. Vilka bättre djur att välja än hajar, med tanke på att deras rörelsekapacitet har förfinats under mer än 420 miljoner år 7, 8 av utvecklingen?

anteckningar

  1. 1.

    Se alla nyheter och åsikter

Relaterade länkar

Relaterade länkar i Naturforskning

  • Biomekanik: Boxad och redo att gå
  • Biomekanik: simning i Sahara

kommentarer

Genom att skicka en kommentar samtycker du till att följa våra villkor och gemenskapsriktlinjer. Om du finner något missbruk eller som inte överensstämmer med våra villkor eller riktlinjer ska du markera det som olämpligt.