Havssvampar som kallas Venus blomkorgar förblir fixerade vid havsbotten med inget annat än en rad tunna, hårliknande ankare gjorda huvudsakligen av glas. Det är ett viktigt jobb, och ny forskning tyder på att det är den interna arkitekturen hos dessa ankare, känd som basaliaspikuler, som hjälper dem att göra det.

Spikulerna, var och en ungefär halva diametern av ett människohår, är gjorda av en central kiseldioxid (glas) kärna klädd i 25 tunna kiseldioxidcylindrar. Sett i tvärsnitt, arrangemanget ser ut som ringarna i en trädstam. Den nya studien av forskare vid Brown University's School of Engineering visar att jämfört med spicules tagna från en annan svampart som saknar trädringarkitekturen, basaliaspikulerna kan böjas upp till 2,4 gånger längre innan de går sönder.

"Vi jämförde två naturliga material med mycket liknande kemiska sammansättningar, varav den ena har denna intrikata arkitektur medan den andra inte har, " sa Michael Monn, doktorand vid Brown University och första författare till forskningen. "Medan de mekaniska egenskaperna hos spiklarna har mätts tidigare, detta är den första studien som isolerar effekten av arkitekturen på spiklarnas egenskaper och kvantifierar hur arkitekturen förbättrar spiklarnas förmåga att böjas mer innan de går sönder."

Den böjbarheten gör förmodligen att spiklarna kan väva sig in i havsbottens silt, hjälper till att säkerställa svampens säkra fäste. En bättre förståelse för hur denna interna spicule-arkitektur fungerar kan vara användbar för att utveckla nya mänskliga material, säger forskarna.

Forskningen publiceras i Journal of the Mechanical Behaviour of Biomedical Materials .

När studiens medförfattare Haneesh Kesari, biträdande professor vid Browns School of Engineering, såg först den inre arkitekturen hos basaliaspikulorna, han blev omedelbart fascinerad av mönstrets konsistens och regelbundenhet. "Det såg ut som en figur från en matematikbok, " han sa.

Sedan dess, Kesari har arbetat med att förstå arkitekturens betydelse. 2015, Kesari, Monn och flera kollegor publicerade en analys som visar att arrangemanget av spiklarnas koncentriska lager – som gradvis minskar i tjocklek från mitten mot utsidan – är matematiskt optimalt för att maximera spiklarnas styrka.

Den här senaste studien är ett mer direkt test av en egenskap som forskarna tror är viktig för spikulans ankare:böjningsbrottsträning, vilket är i vilken utsträckning något kan böjas utan att gå sönder.

"Intuitivt, det är vettigt att spiklarna skulle vara bättre ankare om de kunde vrida sig igenom silten", sa Monn. "Det skulle göra dem mycket svårare att dra ut än om de var stift raka. Den mekaniska egenskapen som är mest förknippad med den önskvärda funktionen skulle vara böjningsbrottsbelastning."

För studien, forskarna använde en apparat som de designat speciellt för att testa hur långt spikuler kan böjas. Spikulerna läggs över en scen med en lucka i mitten. En liten kil sänks sedan ner på spikeln, som böjer ner den i springan. En kamera på sidan av enheten tar bilder, ger exakta mätningar av hur långt spiklarna böjer sig innan de går sönder.

Monn och Kesari använde enheten för att testa både basaliaspikulerna från Venus blomkorgar och spicules från en annan art – den orange puffballsvampen. De två uppsättningarna av spicules har ungefär samma diametrar och en väsentligen identisk kiseldioxidsammansättning. Men puffballspiklarna saknar blomkorgarnas inre arkitektur. Så någon skillnad i böjtöjning mellan de två kan tillskrivas arkitekturen.

Experimenten visade att blomkorgsspetsarna kunde böjas 140 procent mer än puffballspiklerna.

"I vilken utsträckning spiklarna kunde böjas var ganska överraskande eftersom de huvudsakligen är gjorda av glas", sa Monn. Ingenjörer använder ofta en modell som kallas Euler-Bernoulli balkteori för att beräkna hur mycket en balk kommer att böjas under en belastning, men det gäller bara när böjningens storlek är mycket liten. Spikulerna visade sig kunna böjas för mycket för att teorin skulle rymma.

"Vad det säger är att de klassiska teorierna som vi använder för att analysera mekaniska tester av tekniska material kanske inte är korrekta när vi hanterar biologiska material, " sa Monn. "Så vi måste också ändra vår analysmetod och inte bara kopiera och klistra in det vi har använt för tekniskt material."

Monn hoppas att studier som denna kommer att ge de data som behövs för att ta fram lämpliga modeller för att förklara egenskaperna hos dessa naturliga strukturer, och så småningom använda dessa strukturer för nya mänskliga material.