Зоологи из Германии и химики из Дании обнаружили смазывающее вещество на белковой основе в бедренно-большеберцовом суставе жука-чернотелки. Ученые провели химический анализ смазки, а также выяснили, как именно она защищает суставы насекомых от износа. Секретируемое вещество может стать перспективным смазочным материалом для использования в микроробототехнике и для изготовления протезов, если изобрести экономичный способ его производства. Работа опубликована в журнале Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences.
У человека и других позвоночных суставы заключены полость, заполненную синовиальной жидкостью, которая снижает трение и помогает защитить поверхности костей от износа в местах их соприкосновения. Суставы насекомых, в свою очередь, не помещены в капсулу, а обнажены. Предыдущие исследования демонстрировали, что поверхность контактирующих областей в суставе насекомых покрыта поровыми канальцами, которые транспортируют секреты, выделяемые эпителиальными клетками. Однако до сих пор механизм снижения трения в суставах конечностей насекомых оставался неясным.
Теперь исследователи под руководством Константина Надеина (Konstantin Nadein) из Кильского университета имени Кристиана Альбрехта обнаружили, что поры на поверхности суставов у жуков вида Zophobas morio (из семейства чернотелок) выделяют смазывающее вещество в виде цилиндрических фрагментов. Авторы статьи изучили состав смазки и механизм, с помощью которого она снижает трение суставных поверхностей насекомых.
Используя сканирующий электронный микроскоп, исследователи получили изображения «коленного» сустава жука Zophobas morio. Они обнаружили, что контактные поверхности бедренной и большеберцовой частей сустава покрыты множеством отверстий диаметром около одного микрометра. Расстояние между ними в среднем в три-четыре раза превышает диаметр поры. Исследователи разглядели, как из этих пор выделяется воскоподобное вещество в виде цилиндрических фрагментов, соединенных между собой тонкими нитями. Длина нитевидных потоков варьируется от одного до десятков микрометров. Нити могут разбиваться на кусочки разной длины или оставаться целыми, собираясь в комки длиной более двухсот микрометров и толщиной в десятки микрометров.
СЭМ-изображения пор и смазывающего секрета бедренно-большеберцового сустава жука Zophobas morio
Источник изображения: Konstantin Nadein et. al. / Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences, 2021
Исследователи выяснили, что смазка распространяется по суставам за счет движений большеберцовой кости относительно бедренной кости, одновременно распадаясь на мелкие фрагменты. Легко подвергаясь пластическим деформациям, смазывающее вещество адаптируется к различным нагрузкам. Если насекомое испытывает небольшую нагрузку, секрет ведет себя как сухая смазка, и цилиндрические фрагменты практически не деформируются, а при высоких нагрузках кусочки смазки истончаются и растекаются по поверхности сустава как вязкая жидкость.
Также исследователи изучили физические и химические свойства смазывающего секрета жуков. Смазка не растворялась (при комнатной температуре) в дистиллированной воде, а также плохо растворялась в соляной кислоте и хлороформе. Однако вещество было хорошо растворимо в этиловом спирте (99,8-процентном) и в 10-процентной щелочи. Температура плавления смазки достигала больше 100 градусов по Цельсию. При помощи инфракрасной спектроскопии ученые установили, что смазка преимущественно состоит из белков, также в ней, вероятно, присутствуют жирные кислоты или липиды, но в небольшом количестве.
Для оценки смазывающих свойств секрета, исследователи поместили между стеклянными пластинами жучью смазку и решили сравнить ее с тефлоном (твердой смазкой) и вакуумной (вязкой) смазкой. Стеклянные пластины терли (вперед-назад) со скоростью 78 микрометров в секунду при нагрузке 53,33–766,67 килопаскалей. Коэффициент трения скольжения смазанных жучьим секретом стекол (µ = 0,13) оказался сопоставим со значением, полученным для тефлона (µ = 0,14). Коэффициент трения в случае вакуумной смазки был значительно выше (µ = 1,13).
Насекомые являются традиционными объектами биомиметических исследований. В прошлом месяце китайские инженеры выяснили роль волосков на поверхности пчелиного брюшка — оказалось, что они снижают контакт между брюшными пластинками, тем самым понижая трение между ними. Это позволяет пчелам совершать телескопические движения брюшком с экономией 40 процентов энергии на силе трения. Такие покрытия помогут при разработке материалов, при эксплуатации которых сухого трения не избежать (например, в вакуумных установках).
Виктория Барановская