אפיון מאקרו-ריאולוגיה של ריר גיל רייקר בקרפיון הכסף, היפופתלמיכטיס מוליטריקס

קרפיון הכסף, Hypophthalmichthys molitrix, הוא מאכיל מסננים פלנקטיבים ומין פולש שחדר למספר נתיבי מים טבעיים בארצות הברית. מין זה הוצג בתחילה באגן נהר המיסיסיפי העליון כדי לשלוט בפריחת האצות^1,2,3. קרפיון הכסף הוא מאכיל יעיל ביותר. בדרך כלל, גדלי חלקיקי המזון המתכלים שלה נעים בין 4 ל 20 מיקרומטר לזואופלנקטון גדול יותר שהם סביב 80 מיקרומטר^3,4,5. מין זה עלה על דגים מקומיים אחרים ועלול לגרום נזק עצום לנתיבי מים מקומיים על ידי הגבלת^{המשאבים הזמינים 1,2,6}. לכן, מסנן האכלת דגים כגון קרפיון כסף קרפיון bighead מהווים איום גדול על האגמים הגדולים^1,2,6,7,8.

דגי סינון יש איברים מיוחדים הנקראים זימים rakers (GRs) עם שכבה דקה של ריר המתגורר על פני השטח שלהם. איברים אלה לשפר את היעילות של סינון וצבירה של חלקיקים קטנים מן הנוזל הנכנס. מטרת הפרוטוקול המוצג כאן היא לאפיין את הנכס החומרי הלא-ניוטוני, גיסת דילול ולהניב מתח של ריר GR שנרכש מפני השטח הפנימיים של rakers זימים בקרפיון הכסף. הערך של לחץ התשואה של ריר GR, התברר באמצעות rheometer סיבובי, הוא עניין במחקר זה. לחץ התשואה הנמדד המכונה גם “לחץ התשואה לכאורה” תלוי בשיטות הבדיקה כגון קצב גיליון יציב – או זן תנודות דינמי סוג^9,10. דילול הגיסה, ‘נוזל תשואה-מתח’, עובר מעבר מהתנהגות מוצקה דמוית נוזל בלחץ יישומי קריטי^9,11. לחץ התשואה לכאורה הוא לחץ הגיסה המינימלי הנדרש כדי ליזום זרימה או שבו עיוות פלסטיק בלתי הפיך נצפה לראשונה כאשר הריר עובר מחומר דמוי ג’ל לחומר דמוי נוזל. התנהגות זו ניתן לראות בחומרים צמיגים מובנים. המעבר מהתנהגות דמוית ג’ל להתנהגות דמוית נוזל של ריר GR כרוך בשתי פונקציות כלומר, תפקיד דבק לאיסוף חלקיקי מזון ותפקיד רכב תובלה כדי לסייע בתהליך המסירה והסינון החלקיקים. הפונקציה המורחבת של הריר כוללת יצירת מחסומי דיפוזיה בעמידות למחלות ונשימה, מתן שחרור מבוקר של גורמים תזונתיים, רכיבים רעילים ופרישה, יצירת מסלולים מטבוליים להאכלה וקינון, סיוע בהגנה מפני טורפים, והפקת שינויים בשכבת הגבול המשפרים את הקטר ויעילות ההנעה^12,13,14.

שלא כמו נוזלים פשוטים, נוזלים מורכבים כמו ריר יש תכונות המשתנות עם תנאי הזרימה ודורשים פרמטרי מדידה נוספים כדי להגדיר את ההתנהגות הגופנית בקנה מידה בתפזורת שלהם. כדי לפקח על הצמיגות ואת הלחץ התשואה של ריר GR, מדידות רולוגיות מבוצעות באמצעות rheometer סיבוב. הרומד הסיבובי מחיל מתח או מאמץ גיזום יציבים או מתנדנדים באמצעות דיסק מסתובב במגע עם דגימת הנוזל ומודד את תגובתו. הרציונל מאחורי שימוש במכשיר וטכניקה זו הוא כי rheometer יכול לספק קבוצה של מדידות כדי לתאר את המאפיינים החומריים של ריר GR של קרפיון הכסף, אשר לא ניתן להגדיר על ידי צמיגות בלבד.

הריר הוא חומר ויסקולאסטי ותגובתו המכנית לעיוות שנכפה היא בין זו של מוצק טהור (הנשלט על ידי חוק האלסטיות של הוק) לבין זה של נוזל טהור (הנשלט על ידי חוק הצמיגות של^{ניוטון) 15,16}. הרשת המקרומולקולרית המורכבת הכלולה בתוך הריר יכולה להימתח ולכוון מחדש בתגובה לכוחות חיצוניים או לעיוות. רומטר סיבובי מורכב מגיאומטריית חרוט ולוח פלטייה כפי שמוצג באיור 1 ובאיור 2 (ראו טבלה 1 למפרט מכשור). מטרת המחקר הזה הייתה לפתח פרוטוקול כדי לקבוע את המאפיינים הרוולוגיים של ריר GR. יתרון של ריומטר הסיבוב על פני ויסקומטר הוא היכולת שלו לבצע מדידות דינמיות באמצעות אמצעי אחסון מדגם קטנים. נפח דגימת הריר GR במחקר זה היה כ 1.4 מ”ל. הצמיג, לעומת זאת, מוגבל לשיעורי גיזום קבועים ודורש נפחי דגימה גדולים.

המאפיינים הרולוגיים של הריר צפויים להשתנות מאוד בתוך האנטומיה קרפיון כסף. לדוגמה, המאפיינים של הריר המתגורר על משטחי GR עשויים להיות שונים מהאיבר האפיברנצ’י. כדי להסביר את השונות הפוטנציאלית של תכונות ריר באזורים שונים של הדג, מדגם ריר GR שנרכש היה מדולל, ופתרונות של שלושה ריכוזים נוצרו ונבדקו באמצעות rheometer הסיבוב.. הנתונים והתוצאות לגבי ריר rheology שדווחו לאחר ביצוע הפרוטוקול הדגימו את היעילות של טכניקת המדידה. נתוני ההמחשה המוצגים במאמר זה אינם אמורים להיות כלליים בכל אוכלוסיית קרפיון הכסף. הפרוטוקול המוצג כאן ניתן להרחיב כדי לחקור rheology ריר על פני ערכות מדגם גדולות יותר כדי לבדוק השערות אחרות.

מטרת מחקר זה היא להדגים את השונות של תכונות ריר GR עם שלושה ריכוזי ריר שונים (400 מ”ג / מ”ל, 200 מ”ג / מ”ל ו 100 מ”ג / מ”ל). ריכוז 400 מ”ג/מ”ל מייצג את דגימת הריר הגולמית שנקצרה מהדג GRs. מים דהיוניים (DI) שימשו לדלל את דגימת הריר הגולמי ל-200 מ”ג/מ”ל ו-100 מ”ג/מ”ל. דילול דגימות הריר אפשר להעריך את מידת דילול הגיסה ואת לחץ התשואה לכאורה כפונקציה של ריכוז וקביעת הריכוז שבו ריר GR עובר להתנהגות לא ניוטון. שייקר שימש כדי לשבור כל גושים גדולים של ריר בדגימות כדי למתן שגיאות בנתונים הרוולוגיים עקב אי-תום לב.

ברוב בעלי החוליות, כולל דגים, המקרומולקולים היוצרים ריר הם גליקופרוטאין (מוצינים) הנוטים להתנפח במים על ידי הסתבכויות או הצלבה כימית וליצור חומר דמוי ג’ל^{12,13,17,18,19,20}. המקרומולקולרים בעלי המשקל המולקולרי הגבוה, הג’ל ותכולת המים הגבוהים משקפים את החלקלקות בריר¹³. רמה גבוהה של אינטראקציות בין-מקרומולקולריות מובילה להיווצרות ג’ל ואילו רמות נמוכות יותר של אינטראקציות בין-מקרומולקולריות או קשרים שבורים גורמים לנוזלים בעלי צמיגות גבוהה²¹.

התהליכים של סינון חלקיקי מזון בדגים האכלת מסנן נעזרים בתכונות הקשורות לריק GR כגון לכידות וצמיגות הקובעים את הפוטנציאל שלה הידבקות וטקטיקה²². כוח ההידבקות על בסיס ריר תלוי באינטראקציות בין-מולקולריות, אלקטרוסטטיות או הידרופוביות ספציפיות²³. סנדרסון ואח’²⁴ ערכו מחקר האכלה השעיה בדגים שחורים שבו הם מצאו את הראיות להדבקה על בסיס ריר. הם ציינו כי הידבקות של חלקיקי מזון מושעים עם משטח רירי מלווה בהובלה של גושים מצטברים של חלקיקים הקשורים יחד עם ריר על ידי זרימת מים מכוונת הפועלת עליו²⁴. הריר החשוף לשיעורי זני הגיהה הנוצרים מזרימת מים מאפשר משלוח של חלקיקי מזון לאברי העיכול. טכניקות אנדוסקופיות שימשו להתבונן חלקיקים מסוננים²⁴.

ספרות על מגוון שיעורי הגינוע והגבלות המעשיות בבדיקה הרולוגית של ריר GR היא נדירה. לכן, התבקש הדרכה ממחקרים רולוגיים על קיבה, אף, ריר צוואר הרחם והריאות, ריר עור סלמון, רפש דגי ים, חומר סיכה משטח מפרק העצם שבו האפיון הרואיולוגי ותכונות לא ניוטוניות נחקרו^{11,12,25,26,27,28,29,30,31}. לאחרונה, ההשפעה של ריר עור דגים על קטר ויעילות הנעה נחקרה באמצעות צמיגות קצב הגניסה קבוע. מחקרי ריר עור (ללא כל דילול או הומוגניזציה) הנוגעים לסיברם, בס ים והתנהגות דלה הדגימו התנהגות לא ניוטון בשיעורי גיזמה נמוכים בדרך כלל¹⁴.  במחקר אחר הקשור, דגימות ריר העור הגולמי מצדי גב וגחון של הסוליה הסנגלית נמצאו להפגין התנהגות לא ניוטון, המציין צמיגות גבוהה יותר של ריר הגחון בכל שיעורי הגניסה נחשב³². פרוטוקולים ריולוגיים אחרים הנוגעים להתפתחות פיגום הידרוג’ל ועל השעיות מרוכזות מאוד באמצעות ויסקומטר קצב גיסא קבוע דווחו גם בספרות^33,34.

במחקר זה, תכונות ריר GR נחקרו באמצעות שיעור זן מבוקר, rheometer סיבובי כי כבר בשימוש נרחב בניסויים rheology על נוזלים ביולוגיים מורכבים²⁵. עבור נוזלים ניוטון, הצמיגות לכאורה נשארת קבועה, היא עצמאית בקצב הגיסתי והלחצים הגניים משתנים באופן ליניארי עם שיעורי המתח הגיזלי(איור 3A,B). עבור נוזלים שאינם ניוטון (כגון נוזלים מדללים) צמיגות תלויה קצב גיסה או תלוית היסטוריה מעוותת(איור 3A, B). אובדן מודולוס (G) מייצג את המידה שבה החומר מתנגד לנטייה לזרום ומייצג צמיגות נוזלים (איור 4). מודולוס האחסון (G’) מייצג את הנטייה של החומר לשחזר את צורתו המקורית בעקבות עיוות שנגרם מלחץ והוא שווה ערך לגמישות (איור 4). זווית הפאזה (δ) או ערך משיק אובדן, מחושבת מהטנגנס ההופכי של G”/G’. הוא מייצג את האיזון בין אובדן אנרגיה לאחסון והוא גם פרמטר נפוץ לאפיון חומרים ויסקולאסטיים (δ = 0° עבור מוצק Hookean; δ = 90° עבור נוזל צמיג; δ 45° עבור נוזל צמיג) (איור 4)²⁵. לחץ התשואה לכאורה (σ_y) בנוזלים מובנים מייצג שינוי מצב שניתן לראות בנתונים ריולוגיים מטאטא מצב יציב ומתח דינמי גורף¹⁰. אם הלחץ החיצוני מוחל הוא פחות מלחץ התשואה לכאורה, החומר יהיה מעוות אלסטי. כאשר הלחץ עולה על לחץ התשואה המסתמן (מסומן כ”לחץ ממוצע” באיור 3B), החומר יעבור מעיוות אלסטי לפלסטיק ויתחיל לזרום במצבו הנוזלי³⁵. מדידת מודולוס האחסון (G’) ואובדן מודולוס (G) בתנאי לחץ מתנדנד (או זן) כימתה את השינוי במצב החומרי מהתנהגות דמוית ג’ל להתנהגות דמוית נוזל ויסקולאסטית.

סוגי בדיקות הרומד המבוצעות לניטור נתונים הנוגעים מודולוס אחסון (G’), מודולוס אובדן (G) וצמיגות לכאורה (η) מתוארים כאן. בדיקות התנודה הדינמיות (מטאטא זן ותדירות גורפת) ניטור G ‘ ו- G ” תחת תנודה מבוקרת של גיאומטריית חרוט. בדיקות סריקת המתח הדינמיות קבעו את האזור הצמיגי הליניארי (LVR) של הריר על ידי ניטור התגובה החומרית המהותית (איור 4). מאמץ גורף שימשו כדי לקבוע את ההתנהגות המניבה בתדירות תנודה מתמדת וטמפרטורה. בדיקות סריקת התדרים הדינמיות עקבו אחר התגובה החומרית להגברת התדירות (קצב העיוות) במשרעת מתמדת (זן או מתח) וטמפרטורה. המתח נשמר באזור הצמיגי הליניארי (LVR) לבדיקות סריקת התדרים הדינמיות. מבחני קצב הגיור של מצב יציב עקבו אחר הצמיגות לכאורה (η) תחת סיבוב קבוע של גיאומטריית החרוט. ריר GR היה נתון לצעדי לחץ מצטברים וצמיגות לכאורה (η, Pa.s) היה במעקב עבור קצב גניסיה משתנה (ý, 1/s).

הפרוטוקול המוצג במאמר זה מתייחס ריר GR כחומר מובנה מורכב של צמיגות לא ידועה עם טווח תגובה צמיגי ליניארי מסוים. ריר הדגים חולץ מהרופאים הכלליים של קרפיון הכסף במהלך מסע דיג במיקום הארט קריק בנהר מיזורי על ידי פרופסור ל. פטרישיה הרננדז (המחלקה למדעי הביולוגיה, אוניברסיטת ג’ורג ‘ וושינגטון) ^1,2,36.  באיור 5A מוצג מערך של GRs בתוך פיו של קרפיון כסף, וציור סכמטי מוצג באיור 5B. GR שנכרת מוצג באיור 5C.  הפקת ריר מ- GRs של קרפיון הכסף מוצגת כדוגמה בציורים הסכמטיים, איור 5D, E. כל בדיקות הרומטר בוצעו בטמפרטורה קבועה ומבוקרת של 22 ± 0.002 מעלות צלזיוס, הטמפרטורה שנרשמה באתר הדיג^1,2,36.  כל דגימת ריר נבדקה שלוש פעמים עם הרומד, והתוצאות הממוצעות מוצגות יחד עם סרגלי השגיאה הסטטיסטיים.