Diaboliczny chrząszcz pancerny zdradza tajemnicę swego niezwykle wytrzymałego pancerza

[KopalniaWiedzy.pl 357]

Nosoderma diabolicum, chrząszcz zamieszkujący zachodnie wybrzeża USA ma, podobnie jak jego kuzyni z podrodziny Zopherinae, jeden z najbardziej wytrzymałych egzoszkieletów występujących w przyrodzie. Dlatego też bez trudu może przeżyć przejechanie przez samochód, a ptaki czy gryzonie rzadko mogą się nim pożywić.

Przetrwanie Nosoderma diabolicum, zwanego diabolicznym chrząszczem pancernym, zależy od jego umiejętności udawania martwego oraz od niezwykłego pancerza. Chrząszcz nie lata, nie jest też szybkobiegaczem. Gdy złapie go drapieżnik, udaje martwego i cierpliwie czeka, aż drapieżnikowi znudzą się próby przebicia pancerza.

Naukowcy z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Irvine (UCI) i innych instytucji badawczych określili właśnie skład oraz budowę niezwykłego pancerza i wykazali, że współczesna inżynieria może skorzystać na tych doświadczeniach.

Wszystko zaczęło się w 2015 roku, gdy świeżo upieczony magister Jesus Rivera, pracujący w uniwersyteckim laboratorium profesora Davida Kisailusa, zwiedzał muzeum entomologiczne na University of California Riverside. Tam dowiedział się o istnieniu diabolicznego chrząszcza pancernego. Młody uczony pozbierał więc chrząszcze znalezione wokół uniwersyteckiego kampusu i zaczął prowadzić na nich eksperymenty. Okazało się, że zwierzę jest w stanie przetrwać nacisk o 39 000 razy większy od jego własnej wagi. To tak, jakby 70-kilogramowy człowiek był w stanie przeżyć pod położonym na nim betonowym blokiem o wadze 2730 ton.

Rivera i Disailus wykorzystali mikroskopy i spektroskopy do przeanalizowania budowy pancerza Nosoderma diabolicum. Odkryli, że tajemnica niezwykłej wytrzymałości tkwi w architekturze egzoszkieletu, szczególnie zaś w elytronie. U chrząszczy latających elytry, czyli pokrywy, tworzą pierwszą parę skrzydeł – tę stwardniałą – służących do ochrony drugiej, błoniastej pary. U nielotnych chrząszczy pancernych eltyron wyewoluował tak, by tworzyć stałą ochronną powłokę.

Kisailus i Rivera wykazali, że elytron Nodoserma diabolicum składa się z warstw chityny oraz matrycy białkowej. Amerykanie, wraz z grupą japońskich naukowców z Tokijskiego Uniwersytetu Rolnictwa i Technologii przeanalizowali skład chemiczny egzoszkieletu chrząszczy latających i porównali go z egzoszkieletem diabolicznego chrząszcza pancernego. Okazało się, że zewnętrzna warstwa egzoszkieletu Nosoderma diabolicum ma znacznie większą koncentrację protein, dochodzącą do 10% wagi. Zbadano też szew łączący u N. diabolicum obie połówki elytry. Uczeni zauważyli, że jego struktura przypomina szczepione ze sobą puzzle. Za pomocą specjalnie zbudowanego urządzenia naukowcy obserwowali, jak ten szew zachowuje się pod naciskiem. Odkryli, że – wbrew temu, co można się było spodziewać – wypustki „puzzli” nie łamią się w najwęższym miejscu, ale przy nacisku, dochodzi do delaminacji.

Gdy rozrywamy puzzle, oczekujemy, że oderwie się najwęższa część wypustki. Jednak u tych chrząszczy nie obserwowaliśmy takiego katastrofalnego zjawiska. Zamiast tego dochodziło do delaminacji, czyli znacznie łagodniejszego uszkodzenia struktury, mówi Kisailus. Zauważono też, że warstwy zawierają microtrichia, miniaturowe włoski zapobiegające ześlizgiwaniu się warstw.
Profesor Kisailus wysłał Riverę do Lawrence Berkeley National Laboratory, gdzie przy pomocy specjalistów pracujących przy Advanced Light Source można było przeprowadzić obserwacje zmian struktury pancerza poddanego naciskowi, wykorzystując przy tym potężne źródło promieniowania rentgenowskiego. Badania potwierdziły wcześniejsze spostrzeżenia dotyczące zarówno geometrii jak i reakcji na nacisk pancerza.

Uczeni już przystąpili do prac nad wykorzystaniem swoich spostrzeżeń przy produkcji bardziej wytrzymałych materiałów na potrzeby przemysłu lotniczego. Badania są finansowane przez US Air Force, US Army Research Office oraz Departament energii i Tokijski Uniwersytet Rolnictwa i Technologii.

« powrót do artykułu