Мозаика — не только искусство, но и универсальный язык природы. Учёные показали, что повторяющиеся плиточные узоры служат эволюционным инструментом выживания — от глаз насекомых до кожи слонов. Эти закономерности могут вдохновить инженеров и дизайнеров на создание новых материалов. Об этом сообщает журнал PNAS Nexus.
Исследователи из Берлинского университета имени Гумбольдта под руководством Джона Ньякатуры изучили, как повторяющиеся структуры встречаются у самых разных организмов — и почему природа использует их снова и снова.
"Подобные поверхностные структуры существуют буквально во всех масштабах. Это не ограничивается одной линией в биологии. Эволюция находила это решение многократно и независимо", — сказал биолог Джон Ньякатура.
Учёные назвали такие формы "биологическими плитками" - микроструктурами, где повторяющиеся элементы соединены гибкой "затиркой". Именно эта комбинация обеспечивает баланс между прочностью и подвижностью, что и делает её столь популярной в живой природе.
Интересно, что тот же принцип "простоты как стратегии эффективности" ранее был описан в работе PNAS Nexus о том, что простые изображения для мозга привлекательнее сложных - визуальные закономерности оказываются глубоко укоренёнными не только в биологии, но и в восприятии.
Авторы работы собрали обширный каталог из 100 примеров природных мозаик, найденных на веб-сайтах, в научных базах и через общение с коллегами.
Он охватывает поразительное разнообразие масштабов: от капсомеров — белковых элементов оболочки вирусов размером в несколько нанометров — до костных пластин панцирей гигантских черепах шириной в десятки сантиметров.
Мозаичные структуры встречаются у растений, членистоногих, рыб, моллюсков, млекопитающих и даже у крошечных тихоходок. Они выполняют разные функции: усиливают зрение насекомых, защищают тела акул, регулируют влажность и температуру у наземных животных.
Во многих случаях плиточные узоры выполняют сразу несколько задач. К примеру, кожа слона покрыта сетью микротрещин, удерживающих воду и грязь. Это помогает животному охлаждаться и защищаться от солнечного излучения и паразитов.
"Если поверхность полностью сплошная, движение может быть ограничено или неконтролируемым. А вот плиточная структура, как у броненосца, позволяет сворачиваться в клубок в одном направлении, оставаясь неподвижной в других", — сказал Ньякатура.
Такая адаптация сочетает прочность и гибкость, позволяя существам выживать в самых разных условиях.
Изучая геометрию и принципы, заложенные в этих "живых мозаиках", инженеры могут создавать более совершенные поверхности и конструкции. Исследователи уже обсуждают возможности применения таких идей в робототехнике, архитектуре и промышленном дизайне.
"Наколенники, которые растут вместе с ребёнком, или фасады зданий, способные естественным образом охлаждаться, — лишь пара примеров. Это может быть что угодно", — сказал Ньякатура.
Похожие подходы уже находят практическое применение — например, когда учёные создают безопасные материалы, вдохновлённые природными свойствами, которые помогают удерживать пыль или регулировать микроклимат без вредных химикатов.
Учёные считают, что объединение биологических принципов и инженерных решений откроет путь к материалам нового поколения — гибким, прочным и устойчивым, как сама природа.