Ученые раскрыли секрет сверхпрочного панциря дьявольского жука-броненосца

Дьявольский жук-броненосец (Phloeodes diabolicus) из семейства зоферид, который обитает в Северной Америке, не отличается приятной внешностью или интересной расцветкой, как некоторые из его сородичей. Нет, он больше похож на камень с вмятинами или кусок грубой коры. Однако в полной опасностей дикой природе внешность — далеко не самое важное преимущество, и эволюция наделила дьявольского жука другим преимуществом: поразительной способностью к выживанию благодаря непробиваемому панцирю.

Благодаря этому панцирю дьявольский жук-броненосец переживет не только нападение какой-нибудь голодной птицы. Он спокойно вынесет и ваш вес, если вы решите наступить на него. Да что уж там — даже машина может переехать жука-броненосца, а ему хоть бы хны. Его экзоскелет настолько прочен, что энтомологи жалуются на то, как трудно его установить на витрину для демонстрации — с этим не справляются даже стальные штифты.

Несмотря на то, что дьявольские жуки-броненосцы не летают, их навыки выживания, как мы все уже поняли, невероятно высоки.  Ученые решили провести серию исследований, чтобы обнаружить физические и механические свойства панциря, благодаря которым эти жуки на самом деле «непробиваемые».

«Этот жук — наземное насекомое, поэтому он не легкий и быстрый, а скорее похож на небольшой танк», — отмечает Дэвид Кисайлус из Калифорнийского университета в Ирвине. «Это его адаптация: он не может улететь, поэтому просто остается на месте и позволяет своей уникальной броне выдерживать натиск врага, пока хищник не сдастся».

Для исследования команда собрала жуков в метрополитенском ареале Внутреннея Империя в Калифорнии.

Во-первых, они провели испытания на раздавливание всего экзоскелета жука с помощью стальной пластины, чтобы определить, какому давлению может противостоять дьявольский жук, сравнив результаты с другими видами жуков из того же региона.

Обычные жуки смогли выдержать среднюю пиковую нагрузку менее 68 Ньютонов. Дьявольский жук-броненосец выдержал нагрузку в 149 Ньютонов, что в 39000 раз превышает его собственный вес.

Логично, что дальше ученые попытались выяснить, как у миниатюрного насекомого все это получается. Для этого команда использовала спектроскопию, сканирующую электронную микроскопию и компьютерную томографию, чтобы внимательно изучить твердую жучиную оболочку. Они также создали симуляции и 3D-модели для проверки своих выводов.

Состав материала, из которого сделан экзоскелет, объясняет некоторую его прочность. Ученые обнаружили, что хитин, из которого сделан непробиваемый панцирь жука-броненосца, включает в себя на 10% больше белка, чем хитиновые панцири других жуков. 

Однако ключ к дьявольской загадке насекомого броненосца, как выяснили исследователи, прятался в надкрыльях.

У летающих жуков надкрылья — это жесткие передние крылья, которые и защищают более нежные задние крылья с прожилками, которые насекомое использует для полета. Но так как жук-броненосец решил отказаться от способности летать в процессе эволюции, его надкрылья затвердели еще сильнее и сцепились друг с другом по извилистой соединительной линии, будто паззл. 

Геометрия и многослойная микроструктура этого соединения обеспечивают отличное механическое сцепление и повышенную жесткость экзоскелета. Это соединение жесткое, но пластичное, как канцелярская скрепка. Кроме того, такая форма шва позволяет жуку более равномерно распределять приложенную силу по всему телу. В результате при сжатии вместо того, чтобы треснуть в месте соединения, материал надкрылий расслаивается, что сдерживает разрушение всей структуры.

Это исследование может открыть путь к разработке более прочных материалов для решения различных инженерных задач. Оно может привести, например, к созданию более безопасных авиационных двигателей, где используются крепежные детали, добавляющие нагрузку, которая снижающую долговечность всего двигателя.