Учёные Калтеха сообщили, что нашли математический способ объяснить, почему моллюски способны строить поразительно одинаковые раковины в разных условиях. Работа, которую вели инженер и специалист по материаловедению Каушик Бхаттачарья и постдокторант Хуан Лю, описывает рост раковины с помощью небольшого набора переменных, позволяющего воспроизводить формы от спиралей наутилуса до веерообразных раковин гребешка.
Ключевые факты
- Исследование опубликовано в Proceedings of the National Academy of Sciences 23 октября.
- Авторы говорят, что их модель использует три элемента: кривую растущего края раковины, масштабный коэффициент и угол поворота.
- Подход способен воспроизводить характерные раковины почти любого класса моллюсков.
- Команда утверждает, что процесс пассивен и энергоэффективен и может подсказать способы производства сложных деталей.
- Статья называется «Local growth laws determine global shape of molluscan shells».
Почему эта модель роста раковины важна для инженерии
Для инженеров и специалистов по материаловедению практическая ценность работы в её простоте: исследователи говорят, что многие формы раковин могут возникать за счёт повторяющегося локального роста на краю, а не из системы, которая отслеживает всю структуру целиком. Это делает результат полезным для поиска более мягких и менее энергоёмких способов изготовления сложных деталей.
Авторы отдельно указывают на возможное применение при производстве специализированных коллекторов для реактивных двигателей. Их схема показывает, что изменение всего двух параметров в законе роста может заметно менять раковину, сохраняя при этом общую повторяемую форму.
- Что определяет форму: начальная кривая, скорость роста и угол поворота.
- Что остаётся стабильным: общая форма раковины сохраняется даже при изменении скорости роста или небольшом дефекте.
- Что может последовать: новые методы производства, имитирующие пассивный биологический рост.
Как моллюски снова и снова делают одну и ту же раковину?
Исследователи говорят, что ответ — в повторяющемся правиле роста на переднем крае раковины. После формирования протоконха каждый следующий шаг роста задаёт следующий, а новый материал добавляется только вдоль этой кривой. В модели всю раковину можно восстановить, повторяя эти локальные действия во времени.
Бхаттачарья и Лю отмечают, что линии роста сохраняют одну и ту же форму от стадии к стадии, а различия выражаются в масштабировании и повороте. Из-за этого они описали процесс с помощью группы Ли — математического аппарата для повторяющихся плавных действий.
Что показала модель на разных классах моллюсков?
Модель смогла сгенерировать формы почти всех известных раковин моллюсков, если менять исходную кривую и масштабный коэффициент. Исследователи говорят, что коэффициент масштабирования, λ, биологически значим: у раковин одного и того же класса моллюсков значения λ почти совпадают, а пять классов раковинных моллюсков занимают каждый свой узкий диапазон.
К этим классам относятся Gastropoda, Bivalvia, Cephalopoda, Monoplacophora и Scaphopoda. Это означает, что форма раковины не просто разнообразна внешне, но и организована небольшим набором базовых параметров роста.
Что это значит для материаловедения?
Команда говорит, что раковины моллюсков одновременно пассивны и энергоэффективны, потому что животному не нужно дополнительное управление, чтобы направлять каждый следующий этап строительства. Именно поэтому биология становится привлекательной моделью для проектирования производственных процессов.
Бхаттачарья сказал, что результаты указывают на более мягкие и менее энергоёмкие способы изготовления сложных деталей. Работа была поддержана стипендией Drinkward Postdoctoral Fellowship и профессорской кафедрой Howell N. Tyson, Sr., в Калтехе.
