Маленький вид креветок (Alpheus heterochaelis) из семейства Alpheidea размером всего 3-5 см, но является одним из самых громких существ в морском мире.
Опасный щелкунчик
Эти ракообразные часто бывают грязно-зеленого цвета. Они бродят по дну в тропических мелководьях и встречающиеся также у нас в Черном и Японском морях. Их легко идентифицировать по виду и размеру клешней: одна значительно крупнее другой и имеет особое строение. На внутренней поверхности неподвижного пальца расположено углубление, а на подвижном пальце небольшой выступ.
Их называют креветки-щелкуны, потому что они производят очень громкий звук, с уровнем шума выше 200 дБ (децибел). Например, шум от цепной пилы - 100 дБ, старт реактивного самолёта - 120 дБ, а выстрел из ружья близко от уха - 160 дБ, при котором возможен разрыв барабанной перепонки. Это определяет креветку-щелкуна одним из самых громких ныне живущих морских животных.
Технология щелчка
Прежде предполагалось, что щелчок является результатом физического удара между пальцами клешни, но сейчас выяснили, что звук возникает от лопания кавитационного пузырька. Таким образом креветка либо убивает, либо оглушает жертву.
При мгновенном схлопывании клешни образуется струя воды со скоростью 7-32 м/с (около 100 км/ч), создавая кавитационный пузырь низкого давления, который лопается с громким щелчком. Сонолюминесценция возникает при сильном нагревании, когда кавитационный пузырь лопается. Температура приближается к температуре поверхности Солнца на уровне около 5000 K, вероятно, из-за высокого сжатия на последних стадиях коллапса кавитационного пузырька. Импульсы акустического давления, возникающие в результате лопания кавитационного пузырька, обычно составляют порядка 700 кПа.
Несколько факторов будут влиять на размеры и скорость пузырьков. Среди наиболее заметных: форма клешни, скорость, стиль замыкания, а также пол креветок. Самцы генерируют пузырьки с более высокой скоростью, в то же время обладая более сильными клешнями, чем самки схожего размера.
Исследование клешни
На сегодняшний день очень мало сообщений об расчленении креветок с пальцем-поршнем. Есть упоминания о высоком уровне кальцификации на кончиках пальцев клешней. Для системы плунжерного гнезда, чтобы выдержать многократное повышение давления и возникающие в результате температуры и ударные волны, логически требуется конструкция материала, которая может выдерживать огромную термомеханическую энергию.
Механическая устойчивость клешни
Толстый минеральный внешний слой способствует устойчивости к механическим повреждениям, так как, механические свойства увеличиваются в зависимости от повышенной кальцификации. Двухслойная структура внешнего слоя, богатого минералами, состоит из упорядоченного арагонита, где присутствуют полосы минерала, карбонат магния и кальция снаружи.
Известно, что подобные двухслойные структуры арагонита и кальцита встречаются у некоторых морских брюхоногих моллюсков, таких как морская раковина Haliotis. Арагонитовые слои обычно имеют пластинчатую структуру с мягкими прослойками и способны поглощать значительную механическую энергию.
Экзоскелеты креветок
Карбонат магния-кальция, который преобладает во внешнем слое плунжера, также является твердым и жестким материалом. Замена магния на кальций в карбонате не оказывает плохого влияния ни на жесткость, ни на твердость. По жесткости и твердости экзоскелеты мелководных креветок показывают результаты около 30 ГПа и 1,5 ГПа. Особенно учитывая, что необходимость защиты не столь острая, как в случае с палецем-булавой креветки богомола (Odontodactylus scyllarus).
Например, крабы (Cancer magister), которые немного более кальцинированы, чем экзоскелеты креветок, имеют значения жесткости и твердости до 55 ГПа и 2,5 ГПа соответственно.
Устойчивость к повреждениям при высоких давлениях, оказываемых на палец-поршень, также будет обусловлена наличием границы раздела хитин-минерал. Органико-неорганические границы раздела между хитином и кальцитом улучшают ударную вязкость систем биоматериалов за счет комбинаторного эффекта вязких границ раздела и межфазного сдвига, который способствует вязкоупругому поведению и рассеиванию механической энергии на границах раздела.
Химическая характеристика плунжера
Для выявления областей, богатых карбонатом кальция в клешне креветки использовалась энергодисперсионная рентгеновская спектроскопия (ЭДС). При рассмотрении определили, что внешний слой плунжера представляет собой преимущественно замещенный магнием карбонат кальция. Средний слой почти не содержит атомов металла (<0,1% Ca и <1% Mg), что указывает на то, что он состоит исключительно из хитина.
Устойчивость плунжера к термическим повреждениям
Как было показано выше, организация пальца-плунжера с щелчками креветок представляет собой композитный сэндвич, который имеет очень мягкое сходство с двухслойным композиционным составом пальца-булавы креветки богомола (Odontodactylus scyllarus). Он состоит из толстой, твердой минеральной оболочки, под которой находится более мягкий, богатый хитином, материал.
Различие между ними заметно в расположении и архитектуре участков, богатых хитином. В пальце-булаве креветки богомола имеется участок, богатый хитином (Булиганд). Напротив, у креветок щелкунов участок с хитином, чрезвычайно пористый, и хитин вырастает в структуры, напоминающие хвойную веточку. И расположены они в виде квазиламинированной конструкции, которая замедляет тепловой поток.
С поведенческой точки зрения креветки часто отступают после щелчков, что в дальнейшем может действовать как задержка между последовательными щелчками, обеспечивая конвекцию тепла, захваченного внутри плунжера, перед последующим щелчком. Задержка между щелчками особенно важна, если щелчки действительно происходят последовательно, и тем более, если время щелчкового закрытия удлиняется. Термомеханическая устойчивость к повреждениям жизненно важна для захвата креветок, так как повреждение вещества экзоскелета креветок при нагревании может привести к снижению их свойств или перелому.
Палец - сэндвич
У креветок-щелкунов Alpheus на клешне есть палец-плунжер, который по структуре похож на сэндвич-композит. Опираясь на химические и оптические исследования, выяснилось, что плунжер представляет собой трехслойную структуру. Внешний и внутренний слои состоят из биогенных минералов, включая арагонит и кальцит магния, в то время как средний слой богат хитином, с близкой к 50% пористостью.
Моделируя теплопередачу, обнаружили, что после серии щелчков тепло проходит через поперечное сечение пальца-плунжера, а средний слой изолирован от перегрева. Наружный и внутренний слои выполнены из биогенных материалов на минеральной основе и сконцентрированы там, где давление может вызвать повреждение. Установлено, что палец-плунжер обладает связанными характеристиками устойчивости к термическим и механическим повреждениям.
Друзья, не забывайте ставить лайк, это мотивация для меня писать чаще. Подписывайтесь на мой канал - впереди много интересного!