Ученые создали модель для расчета энергии клыков, шипов и другого биооружия

Модель, рассчитывающую энергию, которую одна особь затрачивает, когда пронзает другую своими клыками, шипами или другими колющими частями тела, создали исследователи из Иллинойского университета в Урбана-Шампейне, 18 октября сообщает пресс-служба университета.

Как заявляют разработчики, поскольку модель может быть применена к различным организмам, она поможет ученым изучать и сравнивать различные типы колющего биологического оружия у животных. Кроме того, она поможет инженерам при разработке новых систем эффективного прокалывания материалов или новых материалов, устойчивых к прокалыванию.

Результаты исследования ученые опубликовали в британском Journal of the Royal Society Interface.

Руководитель исследования, профессор школы интегративной биологии университета Филип Андерсон рассказал, что идея работы заключалась в том, чтобы придумать количественную основу для сравнения различных систем биологических проколов.

Исследователь Бинъян Чжан пояснил: «Главный вопрос этого исследования заключался в том, как мы вообще можем сравнивать эти разные системы, чтобы сделать их сопоставимыми».

«Это сложная задача — предсказать свойства биологических систем», — добавил он.

Исследователи отмечают, что животные и растения используют различные стратегии для нанесения ударов жертве или для защиты от других организмов, и даже те, которые используют похожие стратегии или инструменты, могут менять их в соответствии со своей конкретной потребностью. Цели их при выборе аналогичной стратегии также могут различаться.

«У гадюк, например, которые кусают млекопитающих, это означает, что они должны прокалывать мягкие ткани, защищенные только кожей, тогда как другие выбирают целями рептилий, у которых есть чешуя, которая делает их более жесткими и трудными для прокалывания», — пояснил Андерсон, изучающий механику и энергетику систем биологического прокола.

По словам исследователя, другие организмы, такие как паразитоидные осы, чтобы прорываться сквозь шкуры гусениц, могут использовать свои яйцеклады, но ими они также могут проникать во фрукты или даже в древесину.

Чтобы разработать модель, которую можно применить к различным биосистемам прокола, Чжан определил ключевые факторы, которые необходимо учитывать при любых расчетах задействованной энергетики. К ним относятся изменения кинетической энергии при использовании инструмента для прокола, а также свойства материала ткани-мишени.

Исследование включает в себя расчеты, описывающие начальную кинетическую энергию, приводящую к проникновению прокалывающего инструмента в материал и одновременно открывающую новые поверхности в материале по мере распространения отверстия. Модель также учитывает сопротивление трению и эластичность ткани-мишени.

Расчеты были ограничены коническими колющими инструментами, которые наиболее распространены в биологических системах.

Созданную модель Андерсон намерен использовать в своих исследованиях колющих инструментов животных, таких как клыки гадюки, шипы ската и яйцеклады паразитоидной осы.

«Если мы знаем морфологию или форму повреждения, созданного инструментом для прокола, мы можем использовать эту модель, чтобы предсказать, сколько энергии было затрачено во время прокола, — пояснил Чжан. — Или мы можем предсказать различные параметры свойств материала. Например, как он будет разрушаться при проколе, что полезно как для инженерных, так и для биологических приложений».