Арктике белые медведи чувствуют себя одинаково комфортно, плавая в холодных водах или бегая по ледяным и снежным полям. Когда они выходят из воды, температура их шерсти падает почти до температуры окружающего воздуха, который намного ниже нуля. «Но вы почти никогда не увидите, чтобы у них были проблемы со льдом в шерсти», — сказал Джон Уайтмен, биолог-охотовед из Университета Олд-Доминион и научный сотрудник Polar Bears International. «Я никогда особо не задумывался об этом: есть ли что-то уникальное в их шерсти?»

Однако это явление привлекло внимание исследователей из разных научных дисциплин. Джулиан Кэролан, аспирант, изучающий биологические антиобледенительные поверхности в группе химика Ричарда Хоббса в Тринити-колледже в Дублине, объяснил, что весь проект начался с документального фильма о природе. Наблюдая за тем, как белые медведи перемещаются между водой и сушей, физик-экспериментатор Бодиль Холст из Бергенского университета задалась вопросом, как этим животным удаётся не покрываться льдом. Она связалась с Хоббсом, и они вместе разработали проект, который Кэролан взяла на себя, чтобы исследовать противообледенительные свойства меха белого медведя.

Используя сильные стороны исследований каждой группы, команда продемонстрировала, что масла в шерсти белого медведя содержат уникальный набор жирных кислот, которые придают шерсти устойчивость ко льду. Исследование, опубликованное в Science Advances, проливает свет на то, как эти животные выживают в условиях Арктики, и предлагает потенциальные стратегии для разработки биоподобных материалов.

Чтобы изучить противоскользящие свойства меха белого медведя, команда сначала измерила силу сцепления шерсти этого животного со льдом. Они заморозили кусок льда с определённой площадью контакта и рассчитали силу, необходимую для того, чтобы отделить этот кусок от поверхности. Они сравнили этот мех с искусственными лыжными шкурами, которые используют лыжники для подъёма по заснеженным склонам, и с человеческими волосами, пожертвованными Кэролан.

«Приклеить лёд к меху белого медведя было непросто», — сказал Кэролан. В отличие от лыжных шкурок, которые были гладкими, мех белого медведя имел неровную поверхность, поэтому команде пришлось изменить свой обычный протокол. «В итоге мы перевернули его, наполнили кювету [водой] и положили мех белого медведя вверх ногами, а затем дали ему замёрзнуть и перевернули обратно».

Они заметили, что, в отличие от волос Кэролан, мех белого медведя не прилипал ко льду так же, как синтетические лыжные шкуры. Эти шкуры были обработаны фторуглеродным соединением, чтобы повысить их устойчивость ко льду. Поскольку шерсть млекопитающих покрыта кожным салом, которое образует водостойкое покрытие, исследователи задались вопросом, не это ли масло отвечает за уникальные свойства меха белого медведя.

Когда исследователи повторили эти эксперименты, предварительно промыв каждый материал с мылом, чтобы удалить кожный жир, «мы обнаружили, что адгезия льда значительно увеличилась», — сказал Кэролан.

Затем они проанализировали состав кожного сала белого медведя, чтобы определить, какие компоненты могут отвечать за устойчивость масла ко льду. Кожное сало состоит из липидов и других гидрофобных и гидрофильных соединений, которые определяют его физические свойства. Используя различные методы аналитической химии, они обнаружили, что кожное сало богато глицерином, восками и холестеролами, но в нём не хватает углеводородов, в частности сквалена, который является распространённым компонентом кожного сала других млекопитающих.

Используя компьютерное моделирование, команда исследователей изучила, как эти молекулы взаимодействуют с молекулами льда. Они также сравнили полифторалкильные вещества (PFAS) и сквален.

Они показали, что диацилглицерины, холестерины и длинноцепочечные жирные кислоты не прилипают ко льду так же, как ПФАС, в то время как сквален хорошо прилипает ко льду. «[Было интересно] посмотреть, насколько хорошо масла из шерсти белых медведей справляются с фторуглеродами, потому что это очень вредные химические вещества», — сказал Кэролан. Хотя у ПФАС много полезных свойств, эти соединения не разлагаются в окружающей среде или в организмах животных, которые их поедают, что приводит к накоплению токсичных веществ.

«Самым поразительным для меня было то, насколько эффективным оказалось противообледенительное свойство», — сказал Уайтмен, который не принимал участия в исследовании. Он добавил, что многочисленные подходы к определению состава кожного сала были тщательными и что сравнение меха белого медведя с человеческими волосами и синтетическими лыжными шкурами было продуманным.

«Конечно, интересно посмотреть, что они обнаружили», — сказал Эндрю Дерочер, эколог из Университета Альберты, который не участвовал в исследовании, но ранее работал с некоторыми из авторов. «Это даёт нам некоторое представление о некоторых механизмах и адаптациях [белых медведей]».

Однако «пока неясно, насколько это уникально для белых медведей», — сказал Уайтман, объяснив, что сравнение с бурыми медведями, ближайшими родственниками белых медведей, поможет лучше понять результаты.

Дерочер согласился. “[Белые медведи] сильно отличаются от медведей гризли”, - сказал Дерочер. Например, в отличие от белых медведей, у которых, по его словам, кожа остается сухой, когда они выходят из воды, у медведей гризли этого не происходит. “Они похожи на мокрых собак”, - добавил он. “Если в шерсти медведя гризли либо не так много этих масел, либо они устроены по-другому, это дало бы нам немного больше понимания того, что происходит”.

Кэролан также считает, что было бы интересно сравнить кожное сало белого медведя с кожным салом других медведей. Однако он сказал, что его следующий проект будет заключаться в дальнейшем изучении липидов, устойчивых к прилипанию льда, которые были выявлены в ходе этого исследования, и их применении к различным материалам, чтобы определить, можно ли имитировать противолёдные свойства шерсти белого медведя.

В то время как команда исследователей показала, что белые медведи противостоят обледенению с помощью этого химического метода, другие животные, такие как пингвины, полагаются на структурные свойства своего меха или перьев для защиты от обледенения. Кэролан интересуется материалами, которые сочетают в себе оба свойства для улучшения защиты поверхностей от обледенения. «Возможно, если мы сможем объединить структурные и химические свойства, мы сможем взять за основу структуру пингвинов [и] добавить немного масел из шерсти белых медведей, и у нас получится что-то лучше».

Автор: Шелби Брэдфорд, доктор философии