Znajdź zawartość

Dzięcioł uderzający dziobem o drzewo z wielką siłą, prędkością i częstotliwością w jakiś sposób nie odczuwa negatywnych skutków swoich działań. Specjaliści, zastanawiający się, w jaki sposób mózg ptaka znosi te uderzenia, mówią o specjalnej konstrukcji czaszki lub o długim owiniętym wokół czaszki języku, co ma łagodzić wstrząsy. Autorzy najnowszej analizy twierdzą jednak, że nic takiego nie ma miejsca. Wielu badaczy zakłada, że musi istnieć jakiś mechanizm absorpcji siły uderzenia, gdyż jeśli my byśmy zrobili coś takiego, to byłby on nam potrzebny, mówi Thomas Roberts, biomechanik z Brown University, który nie był zaangażowany w najnowsze badania. Gdy nisko pochylony zawodnik futbolu amerykańskiego wpada na przeciwnika, jego głowa się zatrzymuje, ale mózg porusza się nadal, dochodzi do jego kompresji. Czasem może dojść w ten sposób do uszkodzenia. Tymczasem dzięcioł może tysiące razy dziennie uderzać dziobem w drzewo z przyspieszeniem trzykrotnie większym niż to, które pozbawiłoby człowieka przytomności i nie odnosi przy tym obrażeń. Pomimo braku dowodów biologicznych na znaczącą absorpcję siły uderzenia, inżynierowie wykorzystują morfologię czaszki dzięciołów jako wzór do budowy hełmów. Tymczasem hipoteza o absorbowaniu uderzenia przez czaszkę nie tylko nie została zbadana w naturze, ale jest też kontrowersyjna. Mielibyśmy tutaj bowiem do czynienia z paradoksem, polegającym na tym, że dzięciołowi zależy, by przykładać dużą siłę do drzewa. Gdyby siła uderzeń była absorbowana, dzięcioł musiałby uderzać jeszcze mocniej, by osiągnąć pożądane efekty. Jako że możemy przypuszczać, iż silne wybiórcze oddziaływanie na drzewo prawdopodobnie usprawniało działania dzięcioła w toku ewolucji, jak jednocześnie miałaby wyewoluować cecha ograniczająca to oddziaływanie, czytamy w artykule pod wiele mówiącym tytułem Woodpeckers minimize cranial absorption of shocks [PDF] opublikowanym na łamach Cell. Current Biology. Autorzy nowej analizy, w tym Sam Van Wassenbergh z Uniwersytetu w Antwerpii, postanowili przede wszystkim sprawdzić hipotezę jakoby pomiędzy dziobem dzięcioła a jego mózgiem istniał mechanizm absorpcji siły wstrząsu, który powodowałby, że wytracanie prędkości przez mózg jest znacznie łagodniejsze niż wytracanie prędkości przez dziób uderzający w drzewo. Za pomocą szybkiej kamery nagrali sześć żyjących w ptaszarniach dzięciołów należących do trzech gatunków (2 dzięcioły czarne, 2 dzięcioły długoszyje oraz 2 dzięcioły duże). Następnie wykorzystali analizę poklatkową do śledzenia pozycji dwóch znaczników umieszczonych na dziobie każdego zwierzęcia, jednego na oku oraz, w przypadku dzięcioła długoszyjego, kropki narysowanej tuż za okiem. Jako, że oczy są ciasno umieszczone w oczodołach, które znajdują się pomiędzy gąbczastym fragmentem czaszki z przodu, a tylną częścią czaszki, wytracanie prędkości przez oko jest dobrym przybliżeniem wytracania prędkości przez tylną część mózgu, stwierdzili autorzy badań. Analizy wykazały, że podczas uderzania obszar łączący dziób z okiem jest sztywny. Co więcej, u dzięciołów czarnych i jednego dzięcioła dużego mediana wytracania prędkości przez oko nie różniła się znacząco od mediany wytracania prędkości przez dziób, a u dzięciołów długoszyich i jednego dzięcioła dużego oko znacznie bardziej gwałtownie wytracało prędkość niż dziób. Analiza obu znaczników na dziobie pokazała zaś, że absorpcja siły uderzenia jest w nim albo pomijalnie mała (zjawisko takie zanotowano u jednego dzięcioła czarnego), albo też nie zachodzi. Badania wskazują zatem, że w czasie kucia głowa dzięciola działa jak sztywny młot. Ich autorzy uważają, że gąbczaste fragmenty czaszki dzięciołów nie służą do absorbowania siły uderzenia i ochrony mózgu poprzez elastyczne deformowania się, a ich budowa ma służyć ochronie samej czaszki przed rozpadnięciem się od uderzeń. Van Wassengergh i jego koledzy piszą, że przeprowadzone symulacje ciśnień wewnątrzczaszkowych potwierdzają teorię Gibsona mówiącą, że taki system może działać bez specjalnych mechanizmów ochrony przed uszkodzeniami mózgu. Sądzą, że w toku ewolucji u dzięciołów pojawiły się odpowiednie rozmiary głowy, ograniczenie maksymalnej prędkości uderzenia oraz umiejętność wyboru drzew o odpowiedniej twardości. Nie wykluczają też istnienia dodatkowych środków ochronnych jak mechanizmy naprawy uszkodzeń mózgu, odpowiednia kompresja żył w szyi celem zwiększenia ciśnienia krwi w mózgu czy manipulowanie przepływem płynu mózgowo-rdzeniowego. « powrót do artykułu

Naukowcy z Cornell University zaproponowali nowatorską metodę jednoczesnego modulowania w czasie rzeczywistym właściwości absorpcyjnych i refrakcyjnych metamateriałów. To zaś pozwoli na kontrolowanie w czasie i przestrzeni propagacji fal w metamateriałach, co może mieć olbrzymie znaczenie zarówno w fizyce, jak i inżynierii. Autorami teoretycznej pracy, opublikowanej na łamach pisma Optica, są doktoranci Zeki Hayran i Aobo Chen oraz ich opiekun naukowy profesor Francesco Monticone. Dotychczas naukowcy zajmujący się metamateriałami badali je pod kątem możliwości kontrolowania albo absorpcji, albo refrakcji fal elektromagnetycznych. Jednak młodzi naukowcy z Monticone Research Grooup wykazali właśnie, że jeśli będziemy w stanie manipulować obiema właściwościami w czasie rzeczywistym, możliwości metamateriałów zostaną znacznie zwiększone. Metamateriały, których właściwości można zmieniać w czasie – zwane chronometamateriałami – mogą przyczynić się do olbrzymich postępów technologicznych. Wykazaliśmy, że jeśli będziemy modulować w czasie obie te właściwości jednocześnie, uzyskamy znacznie lepszą absoprcję fal elektromagnetycznych niż w strukturze stabilnej lub takiej, w której można modulować w jednym momencie tylko jedną z tych cech. Uzyskujemy w ten sposób znacznie bardziej efektywny system, mówi Monticone. Odkrycie możne doprowadzić do stworzenia nowych metamateriałów o bardzo pożądanych właściwościach. Na przykład materiał pochłaniający szerokie pasmo fal radiowych musi mieć grubość powyżej pewnej grubości granicznej, jednak może to znacząco utrudniać projektowanie urządzeń go wykorzystujących. Żeby zmniejszyć grubość takiego materiału, a jednocześnie zwiększyć zakres pochłanianych fal, trzeba pokonać ograniczenia konwencjonalnych materiałów. Jednym ze sposobów na to jest modulowanie ich struktury, wyjaśnia Hayran. Badacze chcą, by ich prace przyczyniły się do dokonania dużego skoku technologicznego. Nie szukamy możliwości stopniowych zmian technologicznych. Chcemy dokonać przełomowych zmian. To nas naprawdę motywuje. Jak można dokonać takich zmian? Trzeba zacząć od samych podstaw, dodaje Monticone. « powrót do artykułu

Łuski ryżu skutecznie usuwają z wody mikrocystyny - toksyny sinicowe. Dotąd produkt ten, który zwykle traktowany jest jak dostępny w nadmiarze odpad, badano pod kątem oczyszczania wody. Amerykanie jako pierwsi wykazali, że za jego pomocą można eliminować toksyny uwalniane podczas masowych zakwitów. Mikrocystyny są bardzo toksyczne zarówno dla roślin, jak i dla zwierząt, w tym dla ludzi. Działają hepatotoksycznie, co oznacza, że powodują poważne uszkodzenia wątroby. Prof. Jon Kirchhoff i Dragan Isailović z Uniwersytetu w Toledo posłużyli się organicznymi łupinami ryżowymi. Poddali je działaniu kwasu solnego i podgrzali do temperatury 250 stopni Celsjusza. Następnie łuski rozprowadzono w próbkach wody, pobranych z jeziora Erie podczas zakwitu sinic w 2017 r. Mierzono stopień wchłaniania toksyn. Okazało się, że przy stężeniach do 596 ppb (parts per bilion, cząstek na miliard) łuski ryżowe usuwały ponad 95% mikrocystyny LR. Nawet gdy stężenia zbliżały się do 3000 ppb, eliminowały ponad 70% mikrocystyny LR. Inne rodzaje mikrocystyn także były usuwane. Przyglądaliśmy się usuwaniu mikrocytystyn z prawdziwych próbek środowiskowych. Badany materiał sprawował się naprawdę dobrze. Mówimy o skrajnie wysokich stężeniach toksyn [...]. Normalnie latem w jeziorze Erie są one o wiele, wiele niższe - wyjaśnia Isailović. Łupiny ryżowe są nie tylko skuteczne, ale i tanie. Poza tym można je potem wykorzystać do innych celów (podgrzanie łusek, które wchłonęły mikrocystyny, do temperatury 560°C niszczy toksyny i pozwala uzyskać ditlenek krzemu). Naukowcy mają nadzieję, że ich rozwiązanie uda się przeskalować, tak by dało się je wdrożyć do ekologicznego uzdatniania wody skażonej przez zakwit. Wspominają też o systemach filtracyjnych dla krajów rozwijających się. « powrót do artykułu