Los tiburones no tienen huesos. En cambio, sus esqueletos están hechos de cartílago mineralizado que les ayuda a moverse constantemente a través del agua. Para comprender la “tiburón” interna que ayuda a mantener a estos animales fuertes y elegantes, los investigadores están poniendo tiburones bajo el microscopio.
Un nuevo estudio, publicado en ACS nano, Encontré algunos resultados sorprendentes. Después de analizar el cartílago de tiburones, parece haber dos regiones diferentes dentro de él. Y cada uno parece tener estructuras muy diferentes. Estas estructuras han mostrado una resistencia a la destrucción y podrían inspirar materiales fuertes y flexibles para el futuro.
Análisis de un esqueleto de tiburón
Una reconstrucción de nanotomografía de rayos X del cartílago intermedial de un tiburón negro. Los colores indican el grosor de los puntales, con rojo que representa áreas más gruesas y azul que indican más delgados. (Crédito de la imagen: Florida Atlantic University)
Los tiburones son criaturas poderosas y eficientes. Gracias a su marco esquelético, hecho de cartílago mineralizado, sus espinas pueden actuar como un resorte, que almacena y libera energía a medida que mueven sus colas, según un presione soltar.
Queriendo comprender mejor cómo este cartílago ayuda a mantener los tiburones en la cima de la cadena alimentaria del océano, investigadores de la Facultad de Ciencias de Charles E. Schmidt y la Facultad de Ingeniería e Informática de la Florida Atlantic University (FAU), en colaboración con el Synchrotron de electrones alemán (DESY) en Alemania, y Noaa Fisheries, han analizado Blacktip Sharks ((Carcharhinus limbatus) y mapearon su estructura interna.
El equipo utilizó nanotomografía de rayos X de sincrotrón con imágenes 3D detalladas y pruebas mecánicas in situ para crear el mapa. Los resultados mostraron que en un nivel nano, el cartílago del tiburón Blacktip tenía dos regiones distintas, el corpus calcareum y el intermedial. Aunque ambas regiones están formadas por colágeno y bioapatita densamente empaquetados, tienen estructuras internas muy diferentes.
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Estructuras microscópicas fuertes
Según el estudio, en cada región, el cartílago es poroso y también tiene puntales gruesos que ayudan al esqueleto con tensión desde múltiples direcciones. Esta es una adaptación clave ya que los tiburones se mueven continuamente y ejercen presión sobre sus espinas.
Los investigadores también encontraron cristales microscópicos en forma de aguja, similares a los de los huesos humanos, que estaban alineados con hilos de colágeno. Este es otro factor que le da al cartílago de tiburón una fuerza y flexibilidad adicionales.
Junto con eso, el equipo de investigación también señaló estructuras de fibra helicoidales, también con colágeno, lo que sugiere que el cartílago está diseñado para evitar que cualquier grietas se propague y ayude a distribuir la mirada y la fuerza.
“La naturaleza construye materiales notablemente fuertes al combinar minerales con polímeros biológicos, como el colágeno, un proceso conocido como biomineralización. Esta estrategia permite a criaturas como camarones, crustáceos e incluso humanos para desarrollar esqueletos resistentes y resistentes”, dijo Vivian Merk, autor de estudio senior y profesor asistente en el Departamento de Química de FAU y bioquímica, en un comunicado de prensa.
“Los tiburones son un ejemplo sorprendente. Sus espinas reforzadas con minerales funcionan como resortes, flexionando y almacenando energía a medida que nadan. Al aprender cómo construyen esqueletos tan duros pero adaptables, esperamos inspirar el diseño de materiales de próxima generación”, agregó Merk en el comunicado.
Inspiración de tiburones para materiales
El equipo de investigación aplicó presión a piezas microscópicas de las vértebras del tiburón y encontró deformaciones, más pequeñas que un micrómetro. El equipo solo notó fracturas en las vértebras después de aplicar una segunda ronda de presión. Pero incluso entonces, las fracturas solo se encontraron dentro de un plano mineralizado, lo que demuestra cuán fuerte era el material.
“Después de cientos de millones de años de evolución, ahora podemos ver cómo funciona el cartílago de tiburones a nanoescala, y aprender de ellos”, dijo Marianne Porter, coautora de estudios y profesora asociada en el Departamento de Ciencias Biológicas de FAU, en un comunicado de prensa.
“Estamos descubriendo cómo las pequeñas estructuras minerales y las fibras de colágeno se unen para crear un material que sea fuerte y flexible, perfectamente adaptado para la poderosa natación de un tiburón. Estas ideas podrían ayudarnos a diseñar mejores materiales siguiendo el plan de la naturaleza”, agregó Porter en el comunicado.
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Graduada de UW-Whitewater, Monica Cull escribió para varias organizaciones, incluida una que se centró en las abejas y el mundo natural, antes de venir a Discover Magazine. Su trabajo actual también aparece en su blog de viajes y la revista Common State. Su amor por la ciencia vino de ver programas de PBS cuando era niña con su madre y pasar demasiado tiempo a Doctor Who.