Sofistikert energiskjold funnet i en sjøkneler -lenke.
Av David Coppedge, 13. februar 2025. Oversatt herfra

Hvor mange showstoppere skal til for å stoppe et show? Og hvor mange unike irreduserbart komplekse mekanismer må en organisme utvise for å forfalske darwinismen? 'En' bør være svaret på begge spørsmålene. Mantisreken har flere, nok til å få stein til å sprenges i et evolusjonært egnethetslandskap.

Bilde 1. Mantisreke/Sjøkneler -av Storkreps-familien

Mantisreken (Odontodactylus scyllarus) har tiltrukket seg oppmerksomheten til forskere i mange år nå, spesielt de som er interessert i biomimetikk. Denne fargerike og mystiske øye-skapning, som ser ut som et monster fra en fremmed planet, har funnet løsninger som ingeniører ønsker å etterligne. Dets merkelig utseende, kryssskraverte regnbueøyne -lenke, for eksempel, beveger seg konstant uten å gjøre dyret svimmelt, og det er det eneste dyret som er kjent for å skjelne sirkulært polarisert lys. Larvene kommer med lommelykter på øynene -lenke. Og den har en av de raskeste hammerne i den levende verden: en "daktyl -lenke-klubbe" som er sterk nok til å knuse de harde skallene til byttet.

Hvordan pakke inn et punch
Tropefisk-hobbyister vet å unngå å plassere disse skapningene i akvariet, fordi mantisrekenes hammerlignende slag kan knuse glass. Emily Reeves -lenke skrev om undersøkelser av Stuart Burgess om denne hammeren som bruker en fire-stangs koblingsmekanisme. "Når reken er klar til å slå, slapper den av en muskel, låsen frigjøres, og den akkumulerte elastiske energien leverer 1000 N kraft." En ny måling beskrevet nedenfor setter det til "~1500 N (dvs. overskrider 1000 ganger kroppsvekten)."
Der ligger et puslespill: hvordan unngår mantisreken å skade seg selv? Man skulle tro at et biologisk verktøy som er i stand til å knuse glass og harde skjell, ville tåle ett skudd før det ble sendt tilbake til verkstedet. Likevel kan mantisreken levere slag etter slag mellom dyrene uten å knekke den proteinholdige hammeren.

Hvordan gjør den det?
Forskere mistenkte at klubben må inneholde spesielle energiabsorberende egenskaper. De kunne observere lag av proteiner og mineraler på klubbens vev, men det har vært vanskelig å måle kreftene på en så liten gjenstand under dens raske handling. Nå har et team av mekaniske ingeniører ved Northwestern University, ledet av N. A. Alderete og H. D. Espinoza, lyktes med å måle virkningene på nanoskopisk nivå. De fastslo at det nøyaktige arrangementet av proteiner i disse lagene skaper et "fononisk -lenke; som absorberer og distribuerer energien. Resultatene deres ble publisert i Science. Mark S. Lavine oppsummerte resultatene på denne måten:
Forskere mistenkte at klubben må inneholde spesielle energiabsorberende egenskaper. De kunne observere lag av proteiner og mineraler på klubbens vev, men det har vært vanskelig å måle kreftene på en så liten gjenstand under dens raske handling. Nå har et team av mekaniske ingeniører ved Northwestern University, ledet av N. A. Alderete og H. D. Espinoza, lyktes med å måle virkningene på nanoskopisk nivå. De fastslo at det nøyaktige arrangementet av proteiner i disse lagene skaper et "fononisk -lenke; som absorberer og distribuerer energien. Resultatene deres ble publisert i Science. Mark S. Lavine oppsummerte resultatene på denne måten:
"Mantisreken er kjent for sin evne til raskt og kraftig å slå byttet sitt, både direkte og på grunn av den raske kollapsen av kavitasjonsbobler, uten å få betydelig skade. Mye av denne evnen har blitt tilskrevet den komplekse flerskala-organiseringen av strukturen til rekens daktylklubbe og dens resulterende mekaniske egenskaper. Alderete et al. brukte raske spektroskopiteknikker for å avsløre effekten av køllestrukturen i form av dens fononiske skjermingsevner... som viser at den effektivt kan brytnings-bølger for å dempe støtkrefter under slag."

Brytningsbølger er kjent for å være ødeleggende; de kan forårsake traumatiske hjerneskader og nerveskader hos mennesker. Som bølger kan de imidlertid sammenlignes med lydbølger og lysbølger. De krysser rommet med spesielle bølgelengder og frekvenser som kan reflekteres, brytes, forsterkes eller dempes. Siden et fonon av lydenergi tilsvarer et foton av lysenergi, trekker forfatterne en parallell mellom et "fononisk skjold" og de fotoniske krystallene som forsterker eller opphever farger i sommerfuglvinger og fuglefjær:
"Det har blitt foreslått at Bouligand-strukturen [mer om det nedenfor] også gir daktylklubben skjærbølgefiltreringsevner i form av ultralydfononiske båndgap (dvs. velg frekvensområder der forplantningen av elastisk energi er forbudt eller sterkt dempet). Selv om fononiske båndgap har blitt fremsatt som en optimalisert ingeniørstrategi for byttedyr-rovdyr-interaksjoner, forblir eksperimentelle bevis på fononisk oppførsel i naturen sjeldne, spesielt sammenlignet med de mer omfattende dokumenterte biofotoniske fenomenene. Spesielt har eksperimenter vist at skalaene som dekker vingene til visse møllarter har utviklet seg til å absorbere lydbølger, gjennom lokal resonans i området 20- til 160 kHz, og gir akustisk kamuflasje mot ekkolokali serende sonar fra rovflaggermus."
Ingeniører har tjent på å imitere de fotoniske krystallene som finnes i naturen. Den strålende blå fargen i vingen til en Morpho-sommerfugl, for eksempel, skyldes mikroskopiske mønstre på skalaene som intensiverer blåtonen og opphever andre bølgelengder. Biomimetikkingeniører lærer å designe overflater med 'strukturell farge' i stedet for pigmenter ved å imitere den mikroskopiske geometrien til fotoniske krystaller i naturen.

Bilde 2. Mantis-reke -stasis i 300 mill. år.

Hva er denne bouligandstrukturen?
"Bouligand-strukturen" av proteiner i mantisrekens daktylklubb har en lignende effekt på brytningsbølger som følge av mantisrekens kraftige slag. Per definisjon er det et materiale som består av stablede lag som roteres i forhold til hverandre for å gi styrke, som i kryssfiner. Figuren i papiret viser lag med mineraliserte kitinfibre som står oppreist og danner vegger vinkelrett på bølgens energi. Disse veggene varierer i tetthet og vinkel, men roteres ikke tilfeldig; mønsteret gjentas hver 500 mikrometer eller så.
En fotballanalogi kan hjelpe. Vi har sett de stående søylene til gummibelagte skumdukker som spillere bruker til å øve på løp og taklinger. Bilde rad etter rad med treningsdukker, stilt opp som rekker av soldater, som et fotballag må ta seg gjennom. Disse øvelsesdukkene er imidlertid ikke arrangert med geometrisk regelmessighet. En rad kan stå oppreist. Raden bak kan være skråstilt. Den neste raden vippes i en brattere vinkel. Bak det kan en rad stables vertikalt. Dette kvasi-tilfeldige arrangementet gjentas dusinvis av ganger. Se nå for deg fotballaget prøver å ta seg gjennom denne labyrinten mot touchdown-målet. En individuell linjeback har kanskje ingen problemer med å velte en dummy, men han kommer til å gå seg vill og forvirres av mønsteret. Det vil distrahere ham mot venstre det ene øyeblikket og mot høyre det neste, til han har mistet all retningssans og overfører all energien sin til dummies og ikke til den planlagte bevegelsesretningen. Lagets fremgang hindres av arrangementet av pilarene i veien. Ingen energi går tapt på grunn av den første loven om termodynamikk, men spillerne sprer energien sin i strukturen og kommer aldri gjennom.

Bouligand-strukturen til mantisrekens daktylklubb er enda mer effektiv, fordi dens energiabsorberende egenskaper er bølgelengdeavhengige. Skjærbølger med kortere bølgelengde kan bli absorbert som de ulykkelige fotballspillerne, men lengre bølgelengder kan klare seg fint gjennom hinderløypa. Dette er analogt med hvordan James Webb-romteleskopet, innstilt på infrarøde bølgelengder, kan se gjennom støvskyer som er ugjennomsiktige for Hubble-romteleskopet. For mantisreken blir dens dødelige energi rettet gjennom køllen til byttet, men brytnings-bølgene som skader køllen blir spredt og dempet. Klubben overlever uskadd for å levere nok et hammerslag. Alt dette skjer i "en godt orkestrert slagsekvens som spenner over syv størrelsesordener i tid (fra hundrevis av millisekunder til nanosekunder)," sier forfatterne. Halve energien kommer fra den første slaget; den andre halvparten kommer fra kollapsen av kavitasjonsbobler "med frekvensinnhold som kan nå hundrevis av MHz." Forskere manglet instrumentering for å oppdage disse energiene, inntil nå.

Bilde 3. Skisse av mekaniisme hos Sjøkneleren  

Et båndgapfilter
Forfatterne kaller de beskyttende lagene et båndgap-filter. Begrepet er kjent for akustiske ingeniører. Programvare gjør det enkelt i disse dager å filtrere ut uønskede frekvenser i et lydbilde. Jeg har selv brukt programvareverktøy lik dette, for eksempel når jeg prøver å filtrere ut vindstøy i en naturvideo. Lydteknikeren kan fjerne lave frekvenser eller høye frekvenser eller droppe bestemte frekvenser som 60 Hz summingen til et fluorescerende lys. Hvis jeg måtte designe en fysisk struktur for å filtrere ut et spesifikt frekvensområde, men tillate andre, ville jeg vært i villrede! Mantisreken leveres med et båndgapfilter laget av protein som fungerer svært effektivt. Hvordan ble det til? Kom rekene på denne strategien på egen hånd?

Et bemerkelsesverdig aspekt ved oppgaven er forfatternes bruk av designspråk. Jada, de hevder at dette fantastiske båndgap-filteret "utviklet seg" som det fononiske skjoldet i møllens vinge. Men disse påstandene mister sin kraft mot lovprisning av elegansen til strukturene de observerte.
"Mantisrekens design, som selektivt skjermer mot de høyeste frekvensene i stedet for hele spekteret, reflekterer en avansert strategi som anerkjenner at strekk-raten kan være like skadelig som, eller mer skadelig enn, belastningsstørrelsen, et fenomen observert i studier av effekten av ultralyd. Denne selektive filtreringen er også relatert til den generelle størrelses-begrensningen for den periodiske regionen i daktylklubben, gitt at filtrering av lavere frekvenser vil kreve større tonehøyder. Videre gir den periodiske regionen ytterligere fordeler, inkludert forbedret seighet, som tilskrives Bouligand-arkitekturen. Dette arkitektoniske motivet tilbyr doble fordeler: høyfrekvent fononisk filtrering og mekanisk herding. Interessant nok er disse fenomenene kanskje ikke uavhengige, men snarere avhengige av hverandre, med fononiske mekanismer som potensielt forbedrer ekstrinsisk herding ved å legge til rette for stabil sprekkvekst og demping av katastrofal svikt."

"Et paragon for biologisk ingeniørvitenskap"
I sin konklusjon uttaler forfatterne at mantisreken har "lenge blitt sett på som et forbilde for biologisk ingeniørkunst" på grunn av dens "bemerkelsesverdige påvirkningsrelaterte egenskaper." De bemerker at "den hierarkiske strukturen" til de mineraliserte proteinene i filteret er ansvarlig for dets evne til å dempe påvirkninger. (1)
Ordet 'hierarkisk' bringer tankene til "ikke-reduserbar kompleksitet." En fordelaktig mutasjon ville ikke ha noe fremsyn til å arbeide i retning av å skape en hierarkisk struktur som tjener en strategisk funksjon. Hvor mange reker måtte slå armene på harde skall før nok heldige mutasjoner kom til for at dette skulle fungere? En sultende reke ville ikke etterlate avkom, men hvis den hadde andre matkilder, ville den ikke trenge daktylklubben.

Bilde 4. Hierarkisk struktur vitner om plan

Dette båndgapfilteret ser utformet og fungerer som en designet mekanisme. Pablo D. Zavatierri kommenterer denne artikkelen i samme utgave av Science -lenke, og bruker også ordet design. Han tror det kan være flere eksempler å oppdage.
"Samspillet mellom strukturelt hierarki og bølgeegenskaper fører også til vurdering av om det eksisterer fononiske båndgap i lignende strukturelle motiver av forskjellige arter. For eksempel har de spiralformede strukturene i billevinger god styrke og er bruddbestandige. Oppdagelsen av andre naturlige fononiske strukturer og forståelse av deres begrensninger kan låse opp nye design med muligheter utover eksisterende slagfaste materialer og energispredningssystemer."

Bilde 5. 4-ledds mekanisme i mantis-klubbe

Davide Castelvecchi ved Nature la også merke til designimplikasjonene av oppdagelsen, og sa at funnene "kan brukes til å lage kirurgiske implantater som kan høste energi som stråler gjennom vev i form av ultralyd, eller mekaniske filtre for mobiltelefoner og annen elektronikk." Kan jackhammere og våpen uten rekyl være i horisonten?

I et leddyr? Wow!
For første gang, sier forfatterne, har forskere funnet en struktur som er i stand til å "utvide det kjente spekteret av funksjonell fononisk atferd inn i MHz-regimet ... som en biologisk funksjonalitet." De drømmer om applikasjoner for denne strategien:
"I tillegg fremhever dette arbeidet naturens evne til å konstruere en høykvalitets ultralyd-kvitrende fononisk krystall, som viser Bloch-harmonikk, med et sofistikert nivå som typisk vil kreve avanserte mikro- og nanoproduksjonsteknikker. Videre antyder oppdagelsen av flate bånd som strekker seg inn i hundrevis av MHz potensialet for romlig energilokalisering, som kan spres lokalt med minimal demping, og gir ytterligere innsikt i hvordan disse naturlige strukturene kan redusere høyfrekvent energi."
En høykvalitets, funksjonell, hierarkisk båndgapstruktur "med et sofistikert nivå som typisk vil kreve avanserte mikro- og nanoproduksjonsteknikker" - i et leddyr? Jeg synes den uttalelsen fortjener et 'Wow'-ikon ved siden av seg. Som nevnt ovenfor trengs det bare én showstopper for å stoppe et show. Evolusjons teateret må stenge butikken, når nok unge bioingeniører samler seg om den langvarige Intelligent Design-serien over hele byen.

Bilde 6. Funksjonell koherens

For Referanser se slutten av originalartikkel -her.

David Coppedge -Bilde 7

David Coppedge er en frilans vitenskapsreporter i Sør-California. Han har vært styremedlem i Illustra Media siden grunnleggelsen og fungerer som deres vitenskapskonsulent. Han jobbet ved NASAs Jet Propulsion Laboratory (JPL) i 14 år, på Cassini-oppdraget til Saturn, til han ble kastet ut i 2011 for å dele materiale om intelligent design, en diskriminerende handling som førte til en nasjonalt publisert rettssak i 2012. Discovery Institute støttet saken hans, men en ensom dommer dømte ham mot ham, uten forklaring. En naturfotograf, friluftsmann og musiker, David har B.S. grader i realfagsutdanning og i fysikk og holder presentasjoner om ID og andre vitenskapelige emner.

Oversettelse, via google oversetter, og bilder ved Asbjørn E. Lund