Run, Gecko, run: гибридный механизм движения по воде у гекконов

Почему бы нам с вами в этот прекрасный пятничный день немного не отдохнуть от квантовой физики, материаловедения и химии? Что скажете? Ведь мир научных изысканий, исследований и открытий не ограничивается одним направлением. Физика, химия, биология, астрономия и т.д. — каждый день мы узнаем что-то новое в этих областях, и было бы неправильно ограничивать наше с вами внимание только, скажем, физикой. Посему сегодня будет немножко биологии. Штудируя различные как по тематике, так и по направлению, научные издания, я наткнулся на любопытное открытие. А так как главным героем этого открытия является существо, которое мне всегда нравилось, то пройти мимо я не смог. Итак, открытие гласит — обычные гекконы способны бегать по воде. Не очень впечатляет? Не спешите с выводами, ибо эти маленькие прыткие ящерицы для совершения подобных перемещений используют, в отличие от других животных, сразу несколько техник. Если же вам по-прежнему интересно как они это делают, не будем задерживаться. Поехали.

Главный герой

Гекконы это не один вид существ, а целое семейство, насчитывающее более 1100 видов, каждый из которых обладает какой-то своей индивидуальной особенностью, от размеров и расцветки до места обитания и диеты. Внешний вид гекконов может быть весьма необычен, но это обусловлено местом обитания и повадками вида.


Листохвостый геккон

К примеру этот малыш, листохвостый геккон, может легко спрятаться среди сухой листвы. Правда его внешний вид натолкнул первооткрывателей дать ему не самое милое имя — satanic leaf-tailed gecko (сатанинский листохвостый геккон). У меня же в голове от его вида возникает только одно слово — Дракарис. :)

Есть у всей этой разношерстной (или может правильнее сказать разночешуйчатой) братии и общие черты, по крайней мере у многих из видов. Самой заметной является их умение изображать Человека-паука, а точнее цепляться за практически любые поверхности и передвигаться не только вертикально по стенам, но и по потолку. Самое интересное это принцип, за счет которого они способны это делать, — множество микроскопических волосков покрывают конечности геккона. Эти волоски цепляются за поверхность за счет силы Ван-дер-Ваальса. По такому же принципу к поверхностям цепляется и вышеупомянутый герой комиксов.


Слева кадр из к/ф «Человек-паук» (2002 г.), а справа уже макро-фото подушечки на лапке геккона.

Также нельзя забывать и про невероятные глаза гекконов. Виды, преимущественно активные в ночное время суток, обладают повышенной светочувствительностью. Другими словами, их глаза способны улавливать даже незначительное световое излучение, что позволяет им даже распознавать цвета в темноте. Супер-зрение гекконов неоднократно изучалось. Например, в этом исследовании ученые описывают различные свойства глаз двух видов гекконов: дневного Phelsuma madagascariensis grandis (мадагаскарский гигантский дневной геккон) и ночного Tarentola chazaliae (шлемоголовый геккон).


Внешний вид глаза Gekko smithii (большого лестного геккона или геккона Смита).

Но мы сегодня собрались не для того, чтобы изучать невероятные зрительные способности гекконов, а их не менее невероятные акробатические навыки. Посему перейдем непосредственно к самому исследованию.

Суть исследования

В тропическом лесу на территории Сингапура было сделано скоростное видео того, как маленький геккон преодолевает водное препятствие, чтобы добраться до дерева.



При этом скорость его передвижения была практически такой же, как и при движении на твердой поверхности. Этот ролик поставил перед учеными вопрос — как гекконы это делают? Были проведены лабораторные исследования, которые показали, что гекконы используют сразу несколько техник для передвижения по водной поверхности, что делает их достаточно уникальными в царстве животных.


Водомерка

Исследователи отмечают, что эволюция дала разным животным, умеющим передвигаться по воде, разные способы достижения этого. Так, некоторые мелкие насекомые обладают нестандартным строением конечностей, которое позволяет им держаться на воде за счет силы поверхностного натяжения. Однако такой способ не универсален, потому другие животные более крупных размеров эволюционировали иначе. К примеру шлемоносый василиск может буквально бегать по воде. Быстрые движения задних лап позволяют ему разогнаться до 12 км/ч и пробежать так порядка 400 метров.


Демонстрация бега по воде в исполнении шлемоносого василиска, которого не зря называют Jesus Christ lizard.

Ученые разделяют две основные методики передвижения животных по воде: движение за счет поверхностное натяжение и движение за счет определенных движений конечностями.

У мелких существ число Бонда* <1, посему для обеспечения удержания на поверхности воды их число Вебера* также должно быть <1.

Число Бонда (Bo)* — соотношение силы тяжести и силы поверхностного натяжения.

Число Вебера (We)* — отношение инерции жидкости к поверхностному натяжению.

График соотношения числа Бонда и числа Вебера, а также где по шкале располагаются разные живые организмы.

У крупных животных число Бонда и число Вебера, естественно, велики, потому они и не могут использовать первый метод передвижения по водной поверхности. Потому они должны действовать наоборот, то есть применять силу на поверхность воды (шлепки, гребки, взмахи конечностями и т.д.).

Уникальность гекконов заключается в том, что у них числа Бонда и Вебера (Bo = 8.7 ± 0.5, We = 47.4 ± 31.7) располагаются где-то между двумя основными категориями по методу передвижения, отмеченными зеленым и синим цветом на графике выше. Таким образом у ученых возникла теория, что гекконы могут использовать и силу поверхностного натяжения, и движение конечностями одновременно, чтобы перемещаться по воде. А любая теория требует доказательства (если это не аксиома, конечно).

«Гекконова» кинематика

В испытании взяли участие 8 особей. А всего «забегов» по воде было осуществлено 63.

Ученые отметили, что в отличие от шлемоносого василиска тело геккона не находится над водой полностью. Однако геккон совершает движения конечностями таким образом, что между ними и водной поверхностью образуются воздушные полости, как и у василисков. При этом положение тела следующее: передняя половина над водой (средняя высота головы над водой 13,4 ± 2,2 мм), задняя половина контактирует с водой, хвост погружен в воду и всегда параллелен поверхности.


Схематическое отображение положения тела геккона во время движения по водной поверхности.

Локомоция геккона по воде очень похожа на ту, что он демонстрирует при беге на суше, когда передняя конечность движется в фазе с противоположной задней (передняя левая + задняя правая и т.д.). Это наблюдение также необычно, поскольку во время скоростного плавания рептилии не перебирают конечностями.

Несмотря на частичное погружение тела под воду, геккон может двигаться по воде со скоростью 60.7 ± 5.4 см/с, что примерно равняется 10,5 длин тела геккона в секунду. Этот показатель практически не меняется при движении на суше. А максимальная скорость движения по воде, зафиксированная во время испытаний, составила 97.5 см/с (3.51 км/ч).


Движение геккона по воде (вид сбоку).

При достижении таких скоростей гекконы способны приподнять над поверхностью воды примерно 72% своего тела, что позволяет уменьшить волновое сопротивление.

Ученые также отмечают, что подобное передвижение гекконов по воде нельзя охарактеризовать как плавание, что подтверждают проведенные наблюдения.

Что касается движений конечностями, то схожесть между василиском и гекконом на самом деле есть, хоть их тела и располагаются по-разному. Оба «водных бегуна» ударяют лапками по воде, создавая импульс, позволяющий продолжить движение (выше изображение В). Самым важным элементом такого движения являются воздушные полости, которые должны образоваться в момент удара по поверхности воды.

Самым же явным отличием, как уже было сказано ранее, между гекконом и василиском является положение тела. Василиски при беге по воде выпрямляются вертикально, используют только задние конечности для создания импульсов, а их тело, соответственно, находится полностью над водой. Гекконы же не могут так делать ввиду коротких конечностей и неприспособленности к изменению положения тела с горизонтального в вертикальное.

Что делать в таком случае? Использовать все 4 конечности, конечно. Что геккон и делает, при этом скорость ударов по воде каждой из них достигает 76.2 ± 33.1 см/с для передних и 91.5 ± 29.4 см/с для задних лапок. Как мы можем видеть, скорость задних конечностей значительно выше передних, что обусловлено практически горизонтальным положением тела геккона.

Также стоит отметить разницу воздушных полостей у гекконов и у василисков во время ударов по воде. У гекконов полости более продолговатые и расширяются каудально (то есть в сторону хвоста). Это наталкивает ученых к предположению, что такая форма больше помогает в создании некой тяги, нежели в поднятии тела над водой (как у василиска).

Таким образом становится ясно, что гекконы не могут полностью полагаться на ударные движения конечностями, как василиски, для преодоления пути по водной поверхности. Следовательно, этот механизм передвижения используется ими в сопряжении с другими, а точнее с поверхностным натяжением.

Поверхностное натяжение

Водомерки могут не просто «стоять» на воде, но и спокойно бегать по ней за счет поверхностного натяжения. Некоторые мелкие ящерицы также могут держаться на поверхности воды за счет этого явления, но только в неподвижном состоянии. Исследователи аккуратно поместили геккона в воду во время испытаний. Его тело держалось на поверхности, хоть большая его часть и была погружена (не переживайте, геккона поместили в воду совсем ненадолго, потом сразу вынули). Посему очевидно, что водное поверхностное натяжение не является 100% источником способностей гекконов бегать по воде.

Однако не стоит отбрасывать это явление полностью. Для начала исследователи отмечают, что кожа гекконов крайне гидрофобная (отталкивает воду), а это свойство способно уменьшать лобовое сопротивление (мда, без физики все же не обошлось) за счет механизмов, в основе которых лежит высокая степень поверхностного натяжения на уровне соприкосновения такого типа кожи с водой.

Для проверки этой теории было проведено ряд испытаний в воде и в мыльном растворе (то есть в воде с поверхностно-активными веществами, уменьшающими поверхностное натяжение на ～50%).


Движение геккона в мыльном растворе (вид сбоку).

Василиск в мыльном растворе показал такие же результаты, как и в простой воде. Это было предсказуемо, так как это животное не использует поверхностное натяжение в арсенале механизмов для бега по воде. А вот гекконам было гораздо сложнее. Их скорость снизилась примерно на 58%


Влияние поверхностного натяжение на локомоцию геккона.

При этом скорость импульсных ударов не изменилась. Немного длиннее стал период взмаха. А тело геккона было сильнее погружено в мыльном растворе, чем в воде. Высота головы над мыльным раствором стала ниже на 49%, в сравнении с высотой над чистой водой.

Гидродинамика и гидростатика

Известно, что животные, у которых число Фруда (Fr, критерий подобия движения жидкостей и газов) равно 1.0, могут передвигаться по воде за счет аквапланирования, генерируя гидродинамический подъем движениями тела с положительным углом наклона со стороны в сторону. Когда же значение Fr колеблется в диапазоне 0.6…1.0, животные держатся на воде и за счет гидродинамики, и за счет гидростатики (в данном случае, плавучесть).

Ученые заметили положительную корреляцию между высотой подъема головы над водой и скоростью движения геккона. Также само тело, точнее его форма, отлично вписывается в эту теорию. Гекконы обыкновенные обладают внушительным углом наклона (изгиба) тела — 26.4 ± 9.4. Также их тело дорсовентрально сплюснуто, а соотношение длины к ширине равно 3,7 ± 0,4. Брюшная поверхность плоская. Такая физиология не может не помогать в таком сложном деле, как сопротивление воде.

Однако данные аспекты исследователи пока еще не изучили до конца, потому не хотят делать громких заявлений.


Движение геккона по воде (вид сверху).

Движение геккона в мыльном растворе (вид сверху).

Ну и, конечно же, гекконы используют свою гибкость во время движения, что видно на анимации и на видео выше. И в чистой воде, и в мыльном растворе гекконы сохраняют одинаковую амплитуду и волнистость движений.

Для более детального ознакомления с исследованием можете заглянуть по ссылке (доклад исследовательской группы + дополнительные материалы к нему).

Эпилог

Данное исследование кому-то может показаться, мягко говоря, странным. Ученые собрались в лаборатории и начали запускать гекконов по воде (мечта, а не работа). Однако подобные исследования помогают понять то, что ранее оставалось либо незамеченным, либо необъяснимым.

Гекконов ранее не относили к категории существ, способных на бег по воде. Данное исследование доказало, что им в этом списке законное место. Помимо этой зоологической справедливости, исследователи также отмечают важность своих наблюдай в робототехнике. Полное понимание того, как животные передвигаются по воде может помочь создать роботов, способных повторить этот трюк. А учитывая, что гекконы используют все и сразу в своем арсенале, в отличие от других водных плясунов, их важность в этом процессе неизмеримо велика.

К тому же, разве не удивительно, что маленькая, но прыткая ящерица смогла удивить ученый мир своими необычными и, на первый взгляд, необъяснимыми навыками. По-моему, это только лишний раз доказывает как мало мы знаем о мире и существах, которые нас окружают.



Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас оформив заказ или порекомендовав знакомым, 30% скидка для пользователей Хабра на уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps от $20 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps до 1 января бесплатно при оплате на срок от полугода, заказать можно тут.

Dell R730xd в 2 раза дешевле? Только у нас 2 х Intel Dodeca-Core Xeon E5-2650v4 128GB DDR4 6x480GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $249 в Нидерландах и США! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?