updated 10:44 PM CET, Dec 8, 2016

Anclajes de esponja de mar son modelos naturales de resistencia

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esponjas Venus cesta de flores

Las vidas de las esponjas dependen de su capacidad de permanecer fijas al fondo del mar

La vida puede parecer precaria para la esponja de mar conocida como Venus cesta de flores (Euplectella aspergillum). Diminutos apéndices parecidos a pelos hechos esencialmente de vidrio son los que sostienen a las criaturas a sus hogares de los fondos marinos. Pero no hay que temer por estas criaturas de las profundidades. Esas diminutas líneas de vida, llamadas espículas basalia, están afinadas para una mejor resistencia, según un nuevo estudio dirigido por ingenieros de la Universidad de Brown.

En un artículo publicado en Proceedings of the National Academy of Sciences, los investigadores muestran que el secreto de la fuerza de las espículas radica en su notable estructura interna. Las espículas, cada una de 50 micras de diámetro, están hechas de sílice (vidrio) con un núcleo rodeado por 10 a 50 cilindros concéntricos de vidrio, cada uno separado por una capa ultra-delgada de un material orgánico. Las paredes de cada cilindro disminuyen gradualmente en espesor desde el núcleo hacia el borde exterior de la espícula.

Cuando Haneesh Kesari, profesor asistente de ingeniería en la Universidad Brown, vio por primera vez esta estructura, no estaba seguro de qué hacer con ella. Pero el patrón de espesor decreciente le llamó la atención.

esponjas Venus cesta de flores (Euplectella aspergillum)"No estaba del todo claro para mí para lo que era este patrón, pero se veía como una figura de un libro de matemáticas", dijo Kesari. "Tenía tanta regularidad matemática que pensé que tenía que ser para algo útil e importante para el animal.

Las vidas de estas esponjas dependen de su capacidad de permanecer fijas al fondo del mar. Ellas se alimentan mediante la filtración de nutrientes del agua, lo que no pueden hacer si están siendo arrastradas por la corriente. Por lo tanto, tendría sentido, pensó Kesari, que la selección natural puede haber moldeado en las criaturas anclas de espículas en los modelos de fuerza - y el patrón de espesor podría ser un factor contribuyente.

"Si no se puede anclar, no puede sobrevivir", dijo Kesari. "Así que pensamos que esta estructura interna debe estar contribuyendo a que estas espículas sean un mejor anclaje".

Para averiguarlo, Kesari trabajó con el estudiante graduado Michael Monn para construir un modelo matemático de la estructura de las espículas. Entre los supuestos del modelo estaba que las capas orgánicas entre los cilindros de vidrio permiten que los cilindros se deslizan uno contra el otro.

"Hemos preparado un modelo mecánico de este sistema y le preguntamosa: ¿De todas las maneras posibles que pueden variar los espesores de las capas, cómo deben variar de manera que se maximice la capacidad de anclaje de la espícula?", dijo Kesari.

El modelo predijo que la capacidad de carga de la estructura sería más grande cuando las capas reduccían el espesor hacia el exterior, tal como se observó inicialmente en espículas reales. Kesari y Monn trabajaron luego con James Weaver y Joanna Aizenberg del Instituto Wyss de Ingeniería Inspirada Biológicamente de Harvard, que han trabajado con esta especie de esponja durante años. El equipo comparó cuidadosamente los espesores de capa predichas por el modelo de la mecánica de los espesores con capa reales en más de un centenar de muestras de espículas de esponjas.

esponja Venus cesta de flores

El trabajo demostró que las predicciones realizadas por el modelo coinciden muy de cerca con los espesores de las capas observadas en las muestras. "Parece que la disposición y grosores de estas capas contribuye efectivamente a la fuerza las espículas, lo que ayuda a hacer mejores anclajes", dijo Kesari.

Los investigadores dicen que esta es la primera vez en su conocimiento que alguien ha evaluado la ventaja mecánica de esta disposición particular de capas. Se podría añadir a la lista de las estructuras de ingeniería útiles inspiradas en la naturaleza.

"En el mundo de la ingeniería, se ve todo tipo de casos en que la geometría externa de una estructura se modifica para mejorar su fuerza específica - las vigas I son un ejemplo", dijo Monn. "Pero usted no ve un enorme esfuerzo enfocado hacia el diseño mecánico interno de estas estructuras".

Este estudio, sin embargo, sugiere que las espículas de las esponjas podrían servir de modelo para que las vigas de carga sean más fuertes desde adentro hacia afuera.

Artículo científico: New functional insights into the internal architecture of the laminated anchor spicules of Euplectella aspergillum