Megfejtették az agyonnyomhatatlan bogár titkát

Ez a bogár nem adja könnyen az életét: az állatvilágban egyedülálló páncélzatának köszönhetően még azt is túléli, ha átmegy rajta egy autó. Mérnökök próbálják megfejteni, hogyan lehet egy szerkezet ilyen elképesztően ellenálló.

A héjbogárfélék közé tartozó ördögi páncélosbogár nem hazudtolja meg hangzatos nevét. A Dél-Kalifornia sivatagos vidékein élő rovart madarak, gyíkok és kisemlősök gyakran szemelik ki prédának, de rendszerint éhesen távoznak. Nem csoda, hogy nem bírnak vele: a páncélosbogár azután is nyugodtan továbbsétál, hogy átment rajta egy autó.

Egy személykocsi kereke alatt fellépő 10.000 N nyomás meg se kottyan neki, hiszen a páncélzata csak 15.000 N-nál kezd megroppanni.

Élőhelyének mostoha körülményei között a páncélosbogár fennmaradását két kulcsfontosságú képessége garantálja: hogy elég meggyőzően tudja halottnak tettetni magát, és hogy külső váza a legmasszívabb, legtörésállóbb szerkezetek egyike, amit csak ismerünk az állatok birodalmából. A University of California, Irvine (UCI) és más intézetek kutatói a Nature legfrissebb számában fedik fel az ördögi rovar páncélzatának titkait: pontosan milyen anyagösszetétel, és annak milyen a mikro- és nanoszintű szerveződése teszi közel elpusztíthatatlanná viselőjét. A szerzők arra is rámutatnak, miként okulhatnak a mérnökök a bogár tervezési bravúrjából.

Talajon élő bogárról van szó, úgyhogy a pehelysúly nem szempont, viszont mozgása fürge, ezért leginkább egy parányi tankhoz hasonlítanám

– mondta David Kisailus, az UCI anyagtudományi és mérnök tanára, a kutatás vezetője. – Ennek a rovarnak ez az alkalmazkodási trükkje: elrepülni nem tud, úgyhogy inkább lecövekel, és hagyja, hogy a speciális kialakítású páncélzata visszaverje a ragadozók próbálkozásait, egészen amíg fel nem adják." Az USA délnyugati államainak sivatagaiban honos bogarat leginkább sziklák alatt, vagy fákon, a kéreg és a törzs közé befészkelődve találjuk.

Forrás: David Kisailus / UCI

Betonszilárdságú védőpajzs

Jesus Rivera, a Kisailus-labor doktorandusza és a cikk vezető szerzője először 2015-ben, a Kaliforniai Egyetem nevezetes entomológiai gyűjteményének látogatásakor szerzett tudomást ezeknek a bogaraknak a létezéséről. Rivera az egyetemi kampusz környékéről elkezdett páncélosbogarakat begyűjteni, és behordta őket a laborba, ahol kompressziós teszteket végeztek rajtuk, összehasonlítva őket más, Dél-Kaliforniában honos bogarakkal. Azt találták, hogy az ördögi páncélosbogár a testsúlya 39.000-szeresének megfelelő erőt tud elviselni.

Ez nagyjából olyan, mintha egy 90 kilós emberre 3500 tonnányi súlyt pakolnánk.

Nagyfelbontású mikroszkópos és spektroszkópiai vizsgálatok sorával Rivera és Kisailus kiderítették, hogy a bogár titka külső vázának, leginkább a szárnyfedőinek anyagi összetételében és felépítésében rejlik. A röpképes bogaraknál a szárnyfedők repüléskor szétnyithatók, egyébként pedig védik a sérülékeny szárnypárt a fertőzésekről, a kiszáradástól és egyéb környezeti hatásoktól. A röpképességét elvesztett páncélosbogár szárnyfedői betonszilárdságú védőpajzzsá alakultak.

Kisailus és Rivera elemzései megmutatták, hogy a szárnyfedők fehérjeállományba ágyazódó kitinből állnak. A Tokiói Mezőgazdasági és Műszaki Egyetem munkatársaival, Atsushi Arakakival és Satoshi Muratával együttműködésben megvizsgálták kutatási alanyuk, valamint egy könnyebb, röpképes rovarfaj kültakarójának kémiai összetételét.

Az összehasonlításból kiderült, hogy az ördögi páncélosbogár páncélzatának külső rétege lényegesen, mintegy 10 tömegszázaléknyival több fehérjét tartalmaz, ami a tudósok meglátása szerint hozzájárulhat a szárnyfedők fokozott mechanikai ellenállóképességéhez.

A csoport vizsgálta a két szárnyfedőt a középvonalban összekapcsoló varrat geometriáját is, és megállapították, hogy a mikroskálán a varratvonal leginkább összekapaszkodó puzzle-darabokhoz hasonlít. Rivera külön berendezést épített, amivel az elektronmikroszkóp alatt tanulmányozhatják az összekapcsolódó szárnyfedők viselkedését nyomás hatására, hogy lássák, mi történik, amikor a bogár a természetben támadásnak van kitéve. Ahelyett, hogy az összekapaszkodó puzzle-darabok a legvékonyabb pontjukon, a „nyakuknál" eltörtek volna, inkább rétegekre csúsztak szét.

„Ha elkezdünk ráncigálni egy puzzle-darabot, az leginkább a nyakánál fog elszakadni, ahol a legvékonyabb – magyarázta Kisailus. – A páncélosbogár kültakarójában viszont nem látjuk ezt a katasztrofális megroppanást.

Ehelyett az anyag rétegei elkezdenek szétcsúszni, ami a szerkezet sokkal elegánsabb szétesését teszi lehetővé."

A további kutakodás arra is fényt derített, hogy az összekapaszkodó lemezek külső felszínén mikroszkopikus kitinszőröcskék mezői helyezkednek el. A tudósok úgy vélik, hogy ezek egy tépőzárhoz hasonlóan súrlódásnövelő funkcióval bírnak, és ellenállóvá teszik a varrat kapcsolódó elemeit az elcsúszással szemben.

Kisailus a Lawrence Berkeley Nemzeti Laboratóriumba küldte Riverát, hogy a Dula Parkinson és Harold Barnard által működtetett, Advanced Light Source nevű extrém erős röntgensugárforrás segítségével élő idejű nagyfelbontású képet nyerjenek a terhelés alatt bekövetkező szerkezeti változásokról. Az itt kapott eredmények alátámasztották, hogy nyomás hatására a varrat elemei ahelyett, hogy a leggyengébb pontjukon eltörnének, katasztrofális roncsolódás nélkül lassan szétcsúszó lapokra esnek.

Forrás: David Kisailus / UCI

Jöhetnek a szupererős anyagok?

A természet példáján okulva Rivera a Purdue Egyetemen dolgozó szerzőtársaival, Maryam Hosseinivel és David Restrepóval együtt 3D nyomtatás útján létrehozta a rovarban látott szerkezet mesterséges másolatát. Kísérleteik bizonyították, hogy a mikroszkópos megfigyelések alapján hűen lemásolt szerkezet biztosítja a lehető legnagyobb mechanikai erőt és állóképességet.

Kisailus komoly reményeket fűz ahhoz, hogy a páncélosbogár kültakarójának titkát saját céljainkra is hasznosíthatjuk. Laboratóriumában máris létrehoztak a bogárról mintázott szerkezetű, szálakkal megerősített kompozit anyagokat, és szeretné kidolgozni a repülőgépek elemeinek olyan összekapcsolását, amely kiváltja a szerkezetileg sebezhető szegelést és csavarozást. „Tanulmányunk valódi hidat képez a biológia, fizika, mechanika és anyagtudomány, valamint a mérnöki alkalmazások között, ami ritkán mondható el egy alapkutatásról – hangsúlyozta Kisailus. – Szerencsénkre az USA légierejétől, az US Air Force-tól kapott anyagi támogatás lehetővé tette számunkra a multidiszciplináris munkacsoportok létrehozását, ami elengedhetetlen volt a kirakójáték darabjainak összeillesztéséhez és a jelentős felfedezés életre segítéséhez."