Это не просто быстрые пловцы, а эталоны эффективности. Позвоночник работает как пружина: накапливает энергию с каждым ударом хвоста и выбрасывает ее, позволяя скользить в воде мощно и почти без усилий.

Ученые заглянули внутрь акульего скелета на наноуровне и обнаружили «шахритектуру» — микроскопическую структуру, которая помогает этим хищникам выдерживать экстремальные нагрузки.

Результаты опубликованы в издании ACS Nano.

Исследователи из Флоридского университета вместе с коллегами из Германии и NOAA Fisheries использовали синхротронное рентгеновское сканирование и 3D-моделирование, чтобы изучить скелет черноперой акулы (Carcharhinus limbatus) с беспрецедентной точностью.

Оказалось, минерализованный хрящ состоит из двух зон: corpus calcareum и intermediale.

Обе — это плотные слои коллагена и биоапатита (минерала, который есть и в человеческих костях), но устроены они по-разному.

Внутри — пористые структуры с укрепляющими перегородками, которые гасят нагрузку со всех сторон. Это критически важно для акул: их позвоночник постоянно работает под давлением.

На еще более мелком уровне ученые разглядели игольчатые кристаллы биоапатита, вплетенные в коллагеновые волокна. Такая конструкция делает хрящ одновременно прочным и гибким. Но самое интересное — спиралевидные коллагеновые структуры, которые не дают трещинам расползаться. При нагрузке волокна и минералы распределяют силу удара, как броня, которая гнется, но не ломается.

Природа создает прочные материалы, комбинируя минералы и биополимеры — например, коллаген. Это называется биоминерализацией. Такой подход используют креветки, ракообразные и даже люди, чтобы строить крепкие скелеты, — объясняет Вивиан Мерк, ведущий автор исследования. — Акулы — особенно яркий пример. Их позвоночник работает как пружина: гнется, накапливает энергию и помогает плыть. Если мы поймем, как устроены их «детали», то сможем создавать материалы нового поколения.

В экспериментах микрообразцы акульих позвонков сжимали под давлением. После первого цикла деформация оказалась минимальной — меньше микрона. Трещины появились только при повторной нагрузке, но не расползались дальше одного минерализованного слоя. Значит, у материала есть встроенная защита от катастрофических разрушений.

Эволюция 450 миллионов лет — и теперь мы наконец видим, как работает акулий хрящ на наноуровне, — говорит соавтор исследования Марианна Портер. — Крошечные минеральные структуры и коллагеновые волокна вместе создают материал, который и прочный, и гибкий — идеально подходит для мощного плавания. Если мы скопируем этот принцип, то сможем проектировать материалы лучше.

Черноперые акулы живут в теплых прибрежных водах по всему миру. Они стремительные, маневренные, разгоняются до 32 км/ч и умеют выпрыгивать из воды во время охоты — зрелище завораживающее.

Эта работа не только раскрывает секреты акульего скелета, но и дает инженерам новые идеи.

Исследование показывает силу междисциплинарного подхода, — отмечает Стелла Баталама, декан инженерного факультета. — Биологи, материаловеды и инженеры вместе разгадали, как природа создает прочные и гибкие структуры. Многослойная армированная конструкция акульего хряща — готовый шаблон для новых материалов: от медицинских имплантов до защитной экипировки.

Этот проект важен:

• Для медицины: понимание биоминерализации поможет создавать импланты, которые не ломаются под нагрузкой, но остаются гибкими — например, искусственные межпозвоночные диски.
• Для инженерии: принцип «коллаген + минеральные кристаллы» можно использовать в композитных материалах — скажем, для брони, которая гасит удары, или для легких конструкций в авиации.
• Для робототехники: акулий позвоночник — природный аналог пружинного аккумулятора энергии. Если воспроизвести его в мягких роботах, они станут энергоэффективнее.

Однако исследование сосредоточено только на одном виде — черноперой акуле. Но акулы крайне разнообразны: от китовой до катрана. Их скелеты могут отличаться, и пока неясно, насколько универсальны обнаруженные структуры.

Ранее ученые установили генетическую схожесть людей и акул.