Уникальные челюсти: рассказываем, как маленькие муравьи разрезают большие ветки

Вы когда-нибудь задумывались, как крошечным муравьям удается так легко резать и прокалывать различные ветки, листья и прочее? Недавнее исследование американских ученых показывает, что муравьи, черви, пауки и другие насекомые имеют уникальный состав зубов. Это делает их особо острыми — настолько, что таким «режущим инструментам» позавидовал бы любой плотник или хирург.
Уникальные челюсти: рассказываем, как маленькие муравьи разрезают большие ветки
GettyImages

Ученые выяснили, как крошечные зубы муравьев, подобно скальпелю или пиле, с легкостью разрезают большие и плотные объекты

Недавнее исследование ученых из Университета Орегона и Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории (США) впервые показало, как атомы цинка увеличивают эффективность и поддерживают остроту изящных муравьиных зубов, с помощью которых насекомые могут с легкостью разрезать различные предметы.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Рассмотрим муравьиный зуб. Да, у муравьев есть зубы, это может подтвердить любой, кто когда-либо наступал на муравейник. Эти органы, которые по-научному называются «нижнечелюстными зубами», потому что они прикреплены как бы снаружи их рта, сделаны из материала, который плотно связывается отдельными атомами цинка.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Эти уникальные органы насекомых десятилетиями привлекали доцента Орегонского университета Роберта Скофилда, который руководил этим исследованием. Его команда биофизиков разработала методы, которые позволяют измерять твердость, эластичность, энергию разрушения, стойкость к истиранию и ударопрочность в крошечных масштабах.

Однако эти методы все равно не позволяли увидеть структуру материалов, из которых состоят зубы муравьев и другие микроскопические органы животных. Поэтому исследователи привлекли к своей работе ученого-материаловеда Аруна Девараджа из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории, который является экспертом в области специальной микроскопической техники — атомно-зондовой томографии. Он применил метод сфокусированного ионного пучка, чтобы взять крошечный образец иглы с кончика зуба муравья, а затем визуализировал этот образец иглы с помощью атомно-зондовой томографии. Используя эту технику, исследователи впервые увидели наноразмерное распределение атомов цинка в зубе муравья.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Ученые предположили, что цинк в зубах насекомых делает их более острыми, что позволяет муравьям использовать только 60% (а иногда и меньше) своей силы. Это гораздо меньше, чем они могли бы затрачивать, если бы их зубы состояли из тех же материалов, что содержатся в человеческих зубах. А поскольку требуется меньше силы, мышцы насекомых тратят меньше энергии. Эти преимущества могут объяснить, почему каждый паук, муравей, черви, ракообразные и многие другие группы организмов обладают такими «модифицированными» органами.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Исследователи отмечают, что инженеры могли бы взять на вооружение эту природную хитрость. При добавлении цинка, зубы муравьев могут становиться еще тверже — как пластик или даже как алюминий.

По словам ученых, изучение природы является одним из способов поиска вариантов улучшения и укрепления различных материалов. При исследовании в атомном масштабе, можно лучше понять, как изменение состава материалов влияет их устойчивость к повреждениям — в частности, на устойчивость к коррозии. Это особенно важно при проектирования конструкций, таких как атомные электростанции, которые должны сохранять свои свойства в течение многих десятилетий.