Самое быстрое существо в мире может быть одним из самых маленьких
К списку самых быстрых животных, таких как гепард или сокол, профессор Саад Бхамла из Технологического института Джорджии предлагает добавить Spirostomum ambiguum — крошечного одноклеточного простейшего, которое достигает молниеносного ускорения, сокращая свое червеобразное тело.
Обитающий во многих озерах и прудах Spirostomum обычно передвигается с помощью ресничек. Однако его рекордная скорость связана с чрезвычайно быстрым сокращением тела при испуге. Существо может укоротить свое тело более чем на 60% за несколько миллисекунд, превращаясь из четырехмиллиметровой ленты в форму мяча для американского футбола — и все это без мышц, подобных человеческим.
Исследование того, как оно это делает и как при этом не повреждает хрупкие внутренние структуры, стало частью четырехлетнего гранта Национального научного фонда (NSF), полученного Бхамлой. Физика и математика этих ответов могут помочь развитию нанотехнологий и ускорить создание нового поколения роботов, едва видимых невооруженным глазом.
"Как инженеры, мы любим смотреть, как природа решала важные задачи", — сказал Бхамла. — "Если мы поймем, как они работают, эта информация может помочь заполнить пробел для маленьких роботов, которые могут двигаться быстро с небольшим потреблением энергии".
Мышцы человека полагаются на белки актин и миозин, но движение таких крошечных существ обеспечивается супрамолекулярными пружинами, защелками и моторами, которые чаще встречаются в механическом мире.
"Если бы у них были только белки актин и миозин, они не смогли бы генерировать достаточно силы, чтобы двигаться так быстро", — добавил Бхамла. — "Чем они меньше, тем быстрее движутся — до 200 метров в секунду в квадрате. Это действительно за пределами графиков".
В рамках совместной программы NSF по молекулярной клеточной биологии (MCB) и физике живых систем (POLS) Бхамла и его студенты используют язык математики и физики для описания деятельности Spirostomum.
"Например, мы хотим знать, каков фундаментальный предел ускорения в живой клетке", — сказал он. — "Мы хотим понять, как отдельная клетка достигает такого замечательного ускорения и использует молекулярные пружины для усиления своей мощности".
Полученные знания могут быть полезны для будущих поколений крошечных роботов, которые не смогут использовать технологии для движения и захвата, характерные для более крупных машин. Помимо простых механических проблем, инженерам придется столкнуться с ограничениями плотности энергии — которые, судя по всему, преодолел Spirostomum.
Такие маленькие роботы были бы довольно хрупкими, однако наблюдения за простейшими показывают обратное.
"У него есть внутренние органеллы, ДНК и нежные цитоскелетные компоненты внутри", — отметил Бхамла. — "Мы хотим понять, как они не повреждаются при быстром сжатии, потому что внутреннее давление должно быстро возрастать. Это может углубить наше понимание того, насколько действительно устойчивы биологические материалы при экстремальных нагрузках и давлениях".
Часть гранта NSF будет направлена на знакомство школьников с этим крошечным миром. Бхамла уже установил сотрудничество с учителем естественных наук Джанет Стэндивен.
"Чтобы найти эти любопытные и безумные клетки, не нужно далеко ходить", — сказал Бхамла. — "Мы просто идем к пруду, собираем образцы и смотрим на них под микроскопом. Небо — это предел того, как далеко вы можете продвинуться в этом, и старшеклассники способны на многое при правильном наставничестве".