Как морское животное с «дворцом из соплей» может вдохновить на создание лучших насосов

Инженеры, стремящиеся создать более эффективные насосные системы, могут почерпнуть идеи у крошечного морского фильтрующего организма, заключённого в желатиновую структуру, известную как «слизевой домик» или «дворец из соплей».

Новое исследование Университета Орегона показывает, что волнообразное движение хвоста животного внутри тесной камеры стабильно продвигает жидкость и частицы пищи вперёд, ближе ко рту. Уникальная конструкция этой биологической помпы может вдохновить на создание новых искусственных насосов для таких применений, как очистка сточных вод.

Исследование описано в статье, опубликованной 15 ноября в Journal of the Royal Society Interface.

Исследователи изучили вид Oikopleura dioica, относящийся к группе мелких фильтрующих животных — аппендикулярий (larvaceans). Эти существа длиной около миллиметра выглядят как миниатюрные головастики даже во взрослом состоянии. Их извивающиеся хвосты не только помогают им плавать, но и фильтровать пищу, собирая мелкие частицы на слизистых сетчатых фильтрах.

Когда приходит время есть, аппендикулярии выделяют оболочку, окружающую их тело, и с помощью хвоста надувают её, как надувную игрушку для бассейна. Этот слизевой домик имеет фильтры, которые улавливают частицы пищи и направляют их ко рту. После использования животное покидает домик через «аварийный люк», а остатки слизи медленно опускаются на дно. Аппендикулярия создаёт и сбрасывает слизевой домик много раз в день.

Чтобы понять механизм питания, учёные использовали микроскоп и высокоскоростную видеокамеру, чтобы отследить поток жидкости и мелких частиц вокруг аппендикулярий в разных условиях.

Видеозаписи показали, что наличие слизистого домика вокруг хвоста меняет характер потока воды и частиц, создавая уникальную насосную систему.

• При свободном плавании извивание хвоста и изгибание тела из стороны в сторону толкает животное вперёд в воде.
• Внутри слизистого домика динамика меняется. Животное остаётся относительно неподвижным в океане, в то время как вода и частицы движутся параллельно хвосту, проталкиваются через слизистые фильтры и направляются в рот животного.

Разница обусловлена тем, как хвост плотно прилегает к внутренним стенкам слизистого домика, касаясь их в нескольких точках. Когда хвост извивается, он то прилипает, то отлипает от слизистой оболочки в определённых точках крепления, подобно липучке.

Это прилипание создаёт давление, которое непрерывно проталкивает жидкость вперёд и предотвращает обратный поток. По мере того как частицы накапливаются на фильтрах, следующая волна жидкости проталкивает их дальше и направляет в рот животного.

Фильтрационная система аппендикулярий является примером перистальтического насоса — типа системы, часто используемой на водоочистных сооружениях и в других промышленных условиях. В большинстве таких насосов движение жидкости вперёд происходит за счёт внешнего сжатия (как в кишечнике). Но у этих крошечных фильтраторов движение создаётся внутренним элементом насоса — в данном случае хвостом.

По мнению исследователей, такая конструкция может быть более эффективной, так как защищает движущиеся части насоса, снижая риск их износа.