في دراسة حديثة، تمكن العلماء من فحص هياكل أسماك القرش على مستوى النانو، مما كشف عن تفاصيل مذهلة حول البنية الدقيقة التي تمكن هذه المفترسات القديمة من تحمل الضغوط الفيزيائية الهائلة للحركة المستمرة. باستخدام تقنيات متقدمة مثل التصوير الثلاثي الأبعاد والاختبارات الميكانيكية الموضوعة في الموقع، استطاع الباحثون من جامعة فلوريدا أتلانتيك بالتعاون مع مركز السينكروترون الألماني وNOAA Fisheries، رسم خريطة للهيكل الداخلي لأسماك القرش السوداء (Carcharhinus limbatus) بتفاصيل غير مسبوقة.
تفاصيل دراسة هيكل القرش
في نتائج الدراسة المنشورة في مجلة ACS Nano، اكتشف الباحثون منطقتين مميزتين داخل الغضاريف المعدنية لأسماك القرش السوداء: الكوربوس كالكاريوم والإنترميديال. على الرغم من أن كلاهما يتكون من الكولاجين والبيوأباتيت بكثافة عالية، إلا أن بنيتهما الداخلية تختلف بشكل كبير. في كلتا المنطقتين، تكون الصفائح المعدنية مرتبة في هياكل مسامية مدعومة بدعامات سميكة، مما يساعد الهيكل على تحمل الإجهاد من عدة اتجاهات.
على مستوى النانو، لاحظ الباحثون بلورات بيوأباتيت صغيرة تشبه الإبر – وهو معدن يوجد أيضًا في عظام الإنسان – متراصفة مع خيوط الكولاجين. هذه البنية المعقدة تعطي الغضروف قوة مفاجئة مع الحفاظ على المرونة.
البنية الهيكلية المعقدة
أكثر ما يثير الدهشة هو اكتشاف الباحثين لبنية ألياف حلزونية تعتمد بشكل أساسي على الكولاجين، مما يشير إلى تصميم متعدد الطبقات متطور يهدف إلى منع انتشار الشقوق. تحت الضغط، تعمل شبكات الألياف والمعادن معًا لامتصاص وتوزيع القوة، مما يساهم في مرونة وصلابة سمك القرش.
وفقًا لما ذكرته الدكتورة فيفيان ميرك، فإن الطبيعة تمتاز ببناء مواد قوية بشكل ملحوظ من خلال دمج المعادن مع البوليمرات البيولوجية، مثل الكولاجين، وهي عملية تعرف بالتعدين البيولوجي. هذا النهج يسمح للكائنات مثل الجمبري والقشريات وحتى البشر بتطوير هياكل عظمية قوية ومرنة.
أهمية الدراسة في العلوم التطبيقية
في التجارب التي أجريت على عينات مجهرية من فقرات القرش، لاحظ الباحثون تشوهات صغيرة تقل عن ميكرومتر بعد دورة واحدة من الضغط المطبق. ومن المثير للاهتمام، أن الكسور حدثت فقط بعد جولة ثانية من التحميل وكانت محصورة داخل طبقة معدنية واحدة، مما يشير إلى مقاومة المادة للفشل الكارثي.
توضح الدكتورة ماريان بورتر، أن بعد مئات الملايين من السنين من التطور، يمكننا الآن أن نرى كيف تعمل غضاريف أسماك القرش على مستوى النانو ونتعلم منها.
الخاتمة
تقدم هذه الدراسة رؤى جديدة حول الهيكل البيوميكانيكي لهياكل أسماك القرش، وتقدم قيمة كبيرة للمهندسين والعلماء في مجال المواد. من خلال التعاون بين المهندسين والبيولوجيين وعلماء المواد، تم الكشف عن كيفية بناء الطبيعة لمواد قوية ومرنة. يوفر الهيكل المكون من الألياف المسلحة في غضاريف أسماك القرش نموذجًا مقنعًا لتصميم عالي الأداء ومرن، مما يحمل وعدًا بتطوير مواد متقدمة من الغرسات الطبية إلى المعدات المقاومة للصدمات.
