Ningún otro animal tiene tanto impacto como la mantis marina o camarón mantis. Este diminuto y colorido crustáceo lanza un golpe a 23 metros por segundo, un golpe demoledor que genera una fuerza de 1.500 newtons que rompe el caparazón de su presa. Estos golpes son tan poderosos que los científicos se han preguntado cómo el crustáceo permanece intacto frente a los efectos del retroceso.
Ahora han descubierto uno de sus secretos. Las mazas dáctilas que hacen llover dolor sobre la mantis marina tienen una estructura fascinante que filtra los golpes y protege al animal que se encuentra detrás de ellas.
“La mantis marina es conocida por su golpe increíblemente poderoso, que puede romper caparazones de moluscos e incluso romper el cristal del acuario”, dice el ingeniero mecánico Horacio Espinosa de la Universidad Northwestern en Estados Unidos.
“Sin embargo, para ejecutar repetidamente estos golpes de alto impacto, la maza dáctila de la mantis marina debe tener un mecanismo de protección robusto para evitar autolesiones. La mayoría de los trabajos anteriores se han centrado en la dureza de la maza y la resistencia a las grietas, tratando la estructura como un escudo de impacto reforzado.
“Descubrimos que utiliza mecanismos fonónicos: estructuras que filtran selectivamente las ondas de estrés. Esto permite que el crustáceo conserve su capacidad de golpeo a pesar de múltiples impactos y evita daños en los tejidos blandos”.
El golpe de la mantis marina ha sido estudiado en detalle. A medida que se mueve a través del agua a alta velocidad, produce lo que se conoce como una burbuja de cavitación. A medida que el agua es empujada a un lado a alta velocidad, su densidad disminuye hasta el punto de que el agua dentro de la burbuja de baja densidad se vaporiza.
Pero esta burbuja, rodeada de agua de mayor densidad, no puede durar mucho: implosiona inmediatamente en una explosión de calor, luz y sonido. Es la energía liberada por esta burbuja que colapsa la que puede romper las conchas (y los acuarios).
“Cuando la mantis marina golpea, el impacto genera ondas de presión sobre su objetivo”, dice Espinosa. “También crea burbujas, que colapsan rápidamente para producir ondas de choque en el rango de los megahercios. El colapso de estas burbujas libera intensas ráfagas de energía, que viajan a través de la maza del camarón. Este efecto secundario de onda de choque, junto con la fuerza del impacto inicial, hace que el golpe del camarón mantis sea aún más devastador”.
Sin embargo, la mantis marina sale ilesa de este tremendo choque, que debería generarse hacia afuera en todas las direcciones. Para averiguar por qué, un equipo dirigido por el ingeniero Nicolas Alderete de la Universidad Northwestern examinó detalladamente las mazas dáctilas del camarón mantis pavo real (Odontodactylus scyllarus) para ver si podía proporcionar alguna pista.
Utilizaron dos técnicas, como la ultrasónica láser de picosegundos y la espectroscopia de rejilla transitoria en la armadura de la criatura para ver cómo respondía a las ondas de estrés que se propagaban, y descubrieron que las mazas dáctilas están estructuradas de manera única para amortiguar y filtrar estas ondas para proteger al camarón mantis. Ya sabíamos que la estructura de la armadura de la maza dáctila está en capas, un poco como una lasaña. La superficie de impacto es una fina capa de hidroxiapatita, un mineral compuesto principalmente de calcio y fósforo, como el revestimiento de los dientes. La región de impacto directamente debajo consiste en una capa de fibras de quitina dispuestas en un patrón de espiga que optimiza la integridad estructural.
Y, directamente debajo de eso hay una capa de haces de fibras de quitina dispuestos en una estructura similar a un sacacorchos, cada uno de los cuales gira un poco más que sus vecinos. Esta capa forma lo que se conoce como una estructura de Bouligand, conocida por aumentar la resistencia a la fractura.
Lo que los investigadores descubrieron es que esta capa también actúa como un escudo de banda prohibida fonónica, un material que filtra las ondas de sonido y estrés al controlar cómo interactúan esas ondas con las estructuras periódicas del material. La estructura de Bouligand de la quitina en la maza dáctila del camarón mantis hace exactamente eso.
“La región periódica juega un papel crucial en el filtrado selectivo de ondas transversales de alta frecuencia, que son particularmente dañinas para los tejidos biológicos”, explica Espinosa. “Esto protege eficazmente al camarón de las ondas de estrés dañinas causadas por el impacto directo y el colapso de la burbuja”.
El equipo planea diseñar y realizar experimentos submarinos para observar la eficacia y las limitaciones de esta maravillosa armadura, tal vez con la vista puesta en el diseño de materiales de inspiración biológica en el futuro.
La investigación se ha publicado en Science.
Fuente: Science Alert.
