Шийла Патек засича времето за движение на най-бързите животни

Ако искате да се научите как да свирите на омар, имаме няколко тук. Не е шега, наистина имаме. Така че елате после, и ще ви покажа как да свирите на омар.

Започнах да работя върху така наречения "рак-богомолка" преди няколко години, защото те издават звук. Направих този запис на рак-богомолка, открит близо до крайбрежието на Калифорния. И ако това е един изключително пленителен звук, проектът се оказа много труден. И докато се борех да разбера как и защо раците-богомолки (стоматоподи) издават звук, започнах да мисля за израстъците им. Раците-богомолки са наречени така заради богомолките, които също имат израстък за бързо хранене. И започнах да мисля - е, може би ще е интересно, докато слушаме звуците им, да разберем как тези животни генерират много бързи хранителни удари. И така, днес ще говоря за екстремния стоматоподен удар - мое изследване в сътрудничество с Уайът Корф и Рой Колдуел.

Има два вида раци-богомолки: копиеносци и разбивачи. Това е мъжки копиеносец рак-богомолка, или стоматопод. Живее в пясъка и хваща неща, минаващи над него. Ето един бърз удар. А ако забавим малко, това е ракът-богомолка, същият вид, записан при 1000 кадъра в секунда, и пуснат на 15 кадъра в секунда. Това е наистина зрелищно разтягане на крайниците, експлодиращо нагоре, всъщност само за да хване парче мъртва скарида, която му предложих. Другият тип рак-богомолка е разбивачът стоматопод - прехранват се чрез разбиване на охлюви. И така, този приготвя охлюва и добре го фрасва.

(Смях)

Ще го пусна още веднъж. Намества го, дръпва го с нос и блъска. След няколко удара черупката на охлюва е счупена, и той получава добра вечеря. Израстъкът на разбивача може да пронизва с върха си, или да блъска с петата. Днес ще говоря за разбиващият тип удар.

Първият въпрос, който ми хрумна, беше - колко бързо се движи този крайник? Защото на онова видео се движи доста бързичко. И незабавно се натъкнах на проблем. Нито една високоскоростна видеосистема в биологичния факултет в Бъркли не беше достатъчно бърза, за да хване това движение. Просто не можехме да го заснемем. Това ме постави в безизходица за дълго. И тогава през биологичния факултет мина пътуващ екип на BBC в търсене на история за новите технологии в биологията. И така, сключихме сделка. Казах: "Ако ни дадете под наем високоскоростната видеосистема, която би могла да улови тези движения, може да ни снимате как събираме данните." И, вярвате или не, те се съгласиха. Получихме тази невероятна видеосистема. Съвсем нова технология... тъкмо излезе преди около година... която позволява зансемането при изключително високи скорости на слаба светлина. А слабата светлина е от критична важност при снимане на животни, защото, ако е твърде силна, се изпържват.

Това е рак-богомолка. Това там горе са очите, ето го онзи хищен израстък, а това е петата. Това нещо ще се люшне и ще блъсне охлюва. А охлювът е закрепен към пръчка, така че е малко по-лесно да се насочи ударът. И... да.

(Смях)

Надявам се наоколо да няма активисти за правата на охлювите.

(Смях)

Това беше заснето при 5000 кадъра в секунда, а аз го пускам на 15 кадъра. Така че е забавено 333 пъти. Както ще забележите, все пак е дяволски бързо, забавено 333 пъти. Невероятно мощно движение. Целият крайник се протяга навън. Тялото се огъва назад... просто зрелищно движение. Погледнахме тези видеоматериали и измерихме колко бързо се е движил крайникът, за да се върнем към онзи първоначален въпрос. Очакваше ни първата изненада. Изчислихме, че крайниците са се движили при най-висока скорост, варираща от 10 метра в секунда чак до 23 метра в секунда. А за онези от вас, които предпочитат мили в час, това са над 45 мили в час във вода. А това наистина е дяволски бързо. Всъщност, толкова бързо, че успяхме да добавим нова точка в спектъра на екстремното животинско движение. Раците-богомолки имат официално най-бързия измерен хранителен удар в която и да било животинска система. Първата ни изненада.

(Аплодисменти)

Това беше наистина страхотно и много неочаквано. Може би се чудите: ами как го правят? Всъщност този труд е от 60-те години на ХХ век на един известен биолог, Малкълм Бъроус. Той показал, че раците-богомолки използват нещо, наречено хващателен механизъм, или щракащ механизъм. Основно той се състои от един голям мускул, за чието свиване е нужно доста дълго време, и резе, което пречи на движението на каквото и да било. Мускулът се свива, и нищо не се случва. А щом мускулът се свие напълно, всичко е съхранено, резето излита нагоре, и има движение. А това се нарича система за усилване на мощността. На мускула е нужно дълго време, за да се свие, а на крайника - много кратко време, за да излети. Затова реших, че това е един вид краят на историята. Ето как раците-богомолки правят тези много бързи удари.

Но после отидох до Националния музей по естествена история. А ако някой от вас има възможност да отиде там, зад кулисите на Националния музей по естествена история ще види една от най-добрите колекции в света от препарирани раци-богомолки.

(Смях)

Това е сериозна работа за мен.

(Смях)

Видях, че върху всеки крайник на рак-богомолка, независимо дали е копиеносец или разбивач, има една красива структура със седловидна форма точно върху горната част на крайника. Виждате я точно тук. Прилича на седло, което бихте поставили върху кон. Много красива структура. Заобиколена е от мембранни области. А тези мембранни области ми подсказаха, че може би това е някакъв вид динамично гъвкава структура. А това наистина ме накара известно време да си почесвам главата. Тогава направихме серия изчисления и успяхме да покажем, че тези раци-богомолки трябва да имат пружина. Трябва да има някакъв вид зареден с пружина механизъм, за да се генерира количеството сила, което наблюдаваме, скоростта, която наблюдаваме, и резултатът от системата. Затова си помислихме - добре, това трябва да е пружина... седлото спокойно би могло да е пружина. Върнахме се отново към онези високоскоростни видеоматериали и всъщност успяхме да визуализираме компресирането и разтягането на седлото. Ще го направя само още веднъж. А после, ако погледнете видеото... малко трудно се вижда... очертано е в жълто. Седлото е очертано в жълто. Всъщност може да се види как то се протяга над курса на удара, хиперразтягане всъщност. Така че имахме много солидни доказателства, показващи, че тази седловидна структура наистина се сгъва и разтяга и всъщност функционира като пружина.

Седловидната структура е позната също като хиперболична параболоидна повърхност, или антикластична повърхност. И това е много добре известно на инженерите и архитектите, защото е много силна повърхност при компресия. Тя има извивки в две посоки, една крива нагоре и противоположна напречна крива в другата, така че всякакво смущение разпределя силите по повърхността на този тип форма. Това е много добре известно на инженерите и не толкова добре известно на биолозите. Известно е също на твърде малко хора, които изработват бижутерия, тъй като изисква много малко материал да се изгради този тип повърхност, а тя е много яка. Така че, ако ще изграждате тънка златна структура, е много добре да се направи във форма, която е яка.

Известно е също на архитектите. Един от най-прочутите архитекти е Едуардо Каталано, който популяризира тази структура. Онова, което е показано тук, е седловиден покрив, който построил, това е 87 фута и половина в обхват. Дебелината е два инча и половина и се поддържа в две точки. Една от причините той да проектира покриви по този начин, е, понеже... смятал за пленително, че може да се построи толкова яка структура, направена от толкова малко материали, която може да се поддържа в толкова малко точки. Това са същите принципи, които се прилагат към седловидната пружина при стоматоподите. В биологичните системи е важно да няма цял куп допълнителни изисквания за материал за изграждането им. Много интересни паралели между биологичния и инженерния свят. Интересно, това се оказва... стоматоподното седло се оказва първата описана биологична хиперболична параболоидна пружина. Малко е дълго, но е някак интересно.

Следващият и последен въпрос беше - а колко сила произвежда един рак-богомолка, щом може да чупи и отваря охлюви? Прикачих нещо, което се нарича зарядна клетка. Зарядната клетка измерва сили, а това всъщност е пиезоелектронна зарядна клетка, в която има малък кристал. Когато този кристал се притисне, електрическите свойства се променят пропорционално на силите, които влизат. Тези животни са изключително агресивни и постоянно са много гладни. Затова трябва само да сложа малко скаридова паста отпред на горивната клетка, и те започват да блъскат. Това е просто обикновено видео на животното, блъскащо в захлас по тази зарядна клетка. Успяхме да направим някои силови измервания. И отново ни чакаше изненада.

Купих 100-паундова зарядна клетка, като мислех, че никое животно с такъв размер не би могло да произведе повече от 100 паунда. Учудващо, те незабавно претовариха зарядната клетка. Това всъщност са някои стари данни, при които трябваше да намеря най-малките животни в лабораторията и успяхме да измерим сили от доста над 100 паунда, генерирани от животно с приблизително такъв размер. Всъщност едва миналата седмица взех 300-паундова зарядна клетка, вкарах я в действие и засякох тези животни да генерират доста над 200 паунда сила. И отново, мисля, че това ще бъде световен рекорд. Трябва да почета още малко фонов материал, но мисля, че това ще бъде най-голямото количество сила, произведена от животно спрямо телесна маса. Наистина невероятни сили. И това отново ни връща към важността на онази пружина при съхраняване и освобождаване на толкова много енергия в тази система. Но това не беше краят на историята.

Звучи много просто, но всъщност е много работа. Взех всички тези силови измервания, а после отидох и разгледах силовата производителност на системата. Това е много просто... времето е по оста Х, а силата е по оста Y. Виждате два пика. А това всъщност ме озадачи. Първият пик, очевидно, е крайникът, удрящ зарядната клетка. Но всъщност има голям втори пик половин милисекунда по-късно и не знаех какво е това. Би могло да се очаква втори пик по други причини, но не половин милисекунда по-късно. Отново, като се връщаме на онези високоскоростни видеоматериали, има доста добър намек за това какво може да става. Ето същата ориентация, която видяхме по-рано. Това е онзи граблив израстък... ето я петата, тя ще се люшне и ще удари зарядната клетка. Искам да се загледате в този кадър, върху повърхността на зарядната клетка, докато крайникът излита навън. Надявам се, можете да видите, че това всъщност е проблясък от светлина.

Публика: Уау.

Шийла Патек: И така, ако просто вземем този единствен кадър, онова, което всъщност виждате там, в края на тази жълта стрелка, е мехур пара. А това е кавитация. Кавитацията е изключително мощен феномен на флуидната динамика, който се случва, когато има зони с вода, движещи се при изключително различни скорости. Когато това се случи, може да се получат зони с много ниско налягане, в резултат на което водата буквално се изпарява. А когато този парен мехур се спука, излъчва звук, светлина и топлина и е силно унищожителен процес. И така, ето го в стоматопода. Отново, това е ситуация, при която инженерите са твърде запознати с този феномен, защото той унищожава корабни витла. Хората са се борили с години в опити да проектират много бързо въртящо се корабно витло, което не кавитира и буквално да износват метала и да го дупчат, както показват тези снимки.

Това е мощна сила във флуидните системи, и сега ще ви покажа ракът-богомолка, приближаващ се към охлюва. Това е заснето при 20 000 кадъра в секунда, благодарение на оператора на BBC, Тим Грийн, който настрои този кадър, защото аз не бих могла да го сторя и за милион години. Едно от предимствата да се работи с професионални оператори. Може да го видите как влиза, и невероятен проблясък на светлина, и цялата тази кавитация се разстила над повърхността на охлюва. Наистина, просто изумителна гледка, невероятно забавена, до изключително ниски скорости. И отново, може да го видим тук в малко по-различна форма, този мехур се формира и пука между тези две повърхности. Всъщност може дори да сте видели малко кавитация да се издига по ръба на крайника.

За да разреша това затруднение с двата силови пика: онова, което според мен става, е, че първият удар е удар на крайника в зарядната клетка, а вторият удар всъщност е пукането на кавитационния мехур. Тези животни спокойно може да използват не само силата и енергията, съхранявана в тази специализирана пружина, но и крайностите на флуидната динамика. И всъщност може да използват флуидната динамика като втора сила за счупване на охлюва. Наистина смайващ двоен удар, така да се каже, от тези животни.

Един въпрос, който често ми задават след този разговор... Ами какво се случва с животното? Защото, очевидно, ако то чупи охлюви, горкият крайник трябва да се разпада. И наистина е така. Това е блъскащата част от петата и на двете изображения, и тя се износва. Всъщност съм ги виждала да износват петата си чак до плътта. Но едно от удобните неща в това да си антропод е, че трябва да правиш смяна. Горе-долу на всеки три месеца тези животни изграждат нов крайник и това не е проблем. Много, много удобно решение на този проблем.

Бих искала да привърша малко смахнато.

(Смях)

Може би за хора като вас всичко това е смахнато, не знам.

(Смях)

Значи, седлата... онази пружина с форма на седло... всъщност отдавна са добре познати на биолозите, не като пружина, а като визуален сигнал. Всъщност има една впечатляваща цветна точка в центъра на седлата на много видове стоматоподи. Това е доста интересно, да се намери еволюционен произход на визуални сигнали върху онова, което всъщност, при всички видове, е тяхната пружина. Мисля, че едно обяснение за това би могло да бъде завръщането към феномена на смяната.

Тези животни навлизат в период на смяна, при който са неспособни на удар... телата им стават много меки. И са буквално неспособни да удрят, или ще се самоунищожат. Наистина. Онова, което правят, е, до този период от време, когато не могат да удрят, стават наистина противни и ужасни и удрят всичко наоколо, няма значение кого или какво. И, второ, влизат в този момент от времето, когато вече не могат да удрят, само сигнализират. Размахват си краката наоколо. И това е един от класическите примери за блъфиране в животинското поведение. Добре установен факт за тези животни е, че те наистина могат да блъфират. Всъщност не могат да удрят, но се преструват. Затова съм много любопитна дали онези цветни точки в центъра на седлата предават някакъв вид информация за способността им да удрят, или силата на удара им и нещо за времевия период в цикъла на смяна. Някак интересен странен факт за откриване на визулана структура точно посред скока им.

В заключение, искам най-вече да изразя признателност към двамата си сътрудници, Уайът Корф и Рой Колдуел, които работиха плътно с мен по това. Както и институтът "Miller" за основни научни изследвания, който ми даде три години финансиране, просто за да се занимавам през цялото време с наука, за което съм много благодарна. Много благодаря.

(Аплодисменти)