Журнал географии и стихийных бедствий
Открытый доступ

Абстрактный

Функциональная экология и механические свойства биологических крючков в природе

George Lazarovits

Выбор биологических крючков в природе широк, так как же нам попытаться сузить поле до управляемого набора, который можно анализировать и коммерциализировать так, чтобы все они имели натуральный продукт, который воспроизводим и представляет ценность для человеческой популяции? Мы обратимся к древней эволюционной теории кладистики, которая использует простую меру для дифференциации организмов, визуальные структуры, которые дифференцируют и также объединяют их в наборы. Нахтигаль предоставляет нам учебник классов механизмов прикрепления, которые дают ряд примеров, где соединители напоминают соединители искусственных устройств, от храповиков до петель, но всегда в двух структурах и никогда с промежуточной третьей, которая отделена от двух, например, стержень петли на двери. Важно рассмотреть использование доступной технологии, посмотреть на эти примеры новыми глазами, которые стали доступны благодаря новым методам микроскопии, компьютерной интеграции и новым методам послойного производства, таким как СЭМ (сканирующая электроосаждаемая электронная микроскопия) и биопечать. Конечным результатом стало самое простое из всех возможных устройств крепления, которое неизбежно станет первым вариантом при рассмотрении коммерческих приложений. Достижения в области биоматериалов также означают, что мы можем рассмотреть больше вариантов с большей универсальностью от сращивания кости с устройствами крепления, обработанными гидроксиапатитом, до устройств крепления для чувствительных стенок кишечника и/или брюшной полости, а также мозговых имплантатов для восприятия магнитных полей. Надеемся, что читатель получит столько же удовольствия от этой работы, сколько и я, с большим обещанием, что она проложит путь для прогресса технологий и поддержания жизни в эпоху, которая вот-вот наступит. Крючок как форма появляется очень рано в эволюционной шкале. Целлюлоза появляется как биологический строительный блок в кембрийском периоде в ископаемых записях, и крючки были обнаружены в хитиновых организмах в виде нижних челюстей, верхних челюстей, а также лапок. Силы разделения крючков, связанные с распространением семян и плодов растений, были изучены у четырех видов С. Н. Горбом. Пятый, Arctium minus, как предполагается, был источником инженерного вдохновения для Джорджа де Местраля. Существуют заметные различия в форме и функциональности природных крючков A. minus и вероятностной застежки, которую он спроектировал и разработал, а именно игольчатый профиль для вставки крючков A. minus, их отсутствие возможности повторного использования и их физический размер. По функциональности липучка напоминает Circaea lutetiana, а не A. minus. Из изучения данных SN Gorb делается вывод, что существуют дополнительные индикаторы для структурного поведения, а также морфологические переменные, указанные Gorb, и это гибкие против фиксированных оснований для стержней и степени упругости материала компонента. Свойства естественного субстрата представлены как указывающие на восприимчивость крючков к ряду субстратов.Полевые испытания состояли из испытания на растяжение установленных крючков A. minus в испытательной машине Instron в лаборатории, чтобы отметить прочность на излом и режим разрушения, которые были характерны для композитного биоматериала. Исследование показывает, что вопреки Горбу, уменьшение размера сделало изгибающий момент из-за размаха крючка незначительным и малоэффективным. Обратите внимание, что ранняя оригинальная ботаническая статья об A. minus отсутствует, предположительно утеряна из Британской библиотеки, и что анализ конечных элементов следует в статье III, а эксперимент по использованию конфокальной микроскопии в статье II. Результаты показывают, что сила разделения контакта не зависит от изгибающего момента и «размаха» крючка, эффект масштабирования, который важен для проектирования для производства крючков размером в микронный диапазон. Более высокие растения используют различные агенты рассеивания, такие как ветер, вода, животные и люди [1]. Распространение животными известно как зоохория. Распространение семян или плодов (известных как диаспоры, чаще плодов, чем семян) путем прикрепления к шерсти или перьям животных известно как эпизоохория. Диаспоры такого рода не обеспечивают ценного питания для животного, к которому они прикрепляются, и не привлекают активно животных к родительским растениям. Вместо этого у них есть специальные структуры, такие как крючки, зазубрины, колючки и шипы или липкие выделения, и они легко отрываются от родительского растения. A. minus обычно известен как лопух, и он встречается по всей Великобритании и является членом семейства чертополоховых. Общеизвестно, что это однолетний ядовитый сорняк, обычно встречающийся вдоль тропинок и берегов рек. Он вырастает примерно до 2 м в высоту и обычно имеет один или несколько первичных стеблей, из которых вырастают вторичные и третичные ветви. В шерсти и перьях диаспоры могут оставаться прикрепленными в течение длительного периода времени, пока животные не счистят их или пока животное не умрет. A. minus имеет естественных симбиотических партнеров по распространению семян, которыми являются дикие животные и птицы, обитающие в Великобритании, такие как кролики, барсуки, лисы, овцы и олени. Диаспоры A. minus приспособлены к распространению путем механического сцепления. С точки зрения жизненного цикла растения крючки начинают действовать в начале года, действуя как защитный механизм, пока развиваются незрелые семена. По наблюдениям, на этой стадии сила натяжения, необходимая для отделения плода от его поддерживающего стебля, достигает своего максимума. Венчик или цветы видны на верхушке плода, выступая из базальной чашечки, состоящей из завязи и окружающих прицветников. Этот плод зеленый, и крючки развиваются. По мере созревания плода венчик увядает, а затем исчезает. Семена присутствуют в завязи, и они освобождаются путем полного распада плода, который начинается немедленно после того, как плод отделяется от растения-хозяина с помощью теперь уже коричневых и сухих крючков прицветника. Каждый из прицветников у основания сплющен, затем сужается, образуя стержень крючка.Таким образом, каждый крючок имеет одну степень свободы, которая, по словам Горба, уменьшает силу разделения контакта и увеличивает склонность плода к прикреплению, поскольку способность сгибаться подразумевает более слабые и гибкие клеточные структуры, но большую способность к прикреплению вероятностным образом. Это не относится к A. minus. По мере созревания растения и его семян все растение высыхает и становится хрупким. Силы отрыва, требуемые от его поддерживающего стебля для теперь уже коричневых плодов и зрелых семян, которые они содержат, уменьшаются до нагрузок, намного меньших, чем силы разрушения крючков, и плод свободно прикрепляется к проходящему хозяину. Это одноразовое прикрепление. Как только плод соприкасается с землей, он готов ждать прорастания. Благодаря своему узкому профилю крючок лопуха имеет еще одну функцию, а именно эффект вставки. Он позволяет крючку прокалывать волокнистые поверхности, как игла, и это может быть важным показателем в дальнейшей работе по проектированию.