Sheila Patek bestimmt die schnellsten Tiere

Wenn Sie lernen möchten wie sie mit einem Hummer spielen können, wir haben welche hier. Das ist kein Spaß, wir haben tatsächlich welche hier. Also kommen Sie anschließend herauf und ich werde Ihnen zeigen, wie Sie mit einem Hummer spielen können.

Nun, eigentlich fing ich vor einigen Jahren an, etwas namens Fangschreckenkrebs zu studieren, denn sie produzieren Klang. Dies ist eine Tonbandaufnahme die ich von einem Fangschreckenkrebs machte, der vor der Küste Kaliforniens vorkommt. Und während das ein absolut faszinierender Klang ist, entpuppt sich das als ein sehr schwieriges Unterfangen. Während ich damit kämpfte herauszufinden wie und warum Fangschreckenkrebse, oder Stomatopoden Geräusche machen, begann ich über ihre Gliedmaßen nachzudenken. Fangschreckenkrebse werden (im englischen) nach der Gottesanbeterin (engl.: Mantis) "Mantis Shrimp" benannt, die ebenfalls schnelle Gliedmaßen zur Nahrungsaufnahme besitzt. So begann ich zu überlegen, na ja, vielleicht wird es interessant sein, während ich ihren Geräuschen zuhöre, herauszufinden, wie diese Tiere jene sehr schnelle Schläge zur Nahrungsaufnahme erzeugen. Daher werde ich heute über den extremen Schlagvorgang bei Stomatopoden sprechen, eine Arbeit die ich zusammen mit Wyatt Korff und Roy Caldwell erstellte.

Nun, Fangschreckenkrebse kommen in zwei Varianten vor: es gibt Speerer und Schmetterer. Das hier ist ein Speerer-Fangschreckenkrebs, oder Stomatopod. Er lebt im Sand und fängt Dinge, die über seinem Kopf vorbeiwandern. Ein schneller Schlag wie dieser hier. Wenn wir das etwas verlangsamen, das ist der Fangschreckenkrebs - die gleiche Spezies - aufgenommen bei 1000 Einzelbildern pro Sekunde, abgespielt bei 15 Einzelbildern pro Sekunde. Und wie Sie sehen können ist das einfach eine wirklich spektakuäre Streckung der Gliledmaßen, nach oben explodierend, eigentlich nur um ein totes Stückchen Garnele zu fangen, das ich ihm anbot. Nun, die andere Art des Fangschreckenkrebses ist der Schmetterer-Stomatopod, und diese Jungs öffnen Schnecken hauptberuflich. Und so legt sich dieser Kerl die Schnecke zurecht und versetzt ihr einen ordentlichen Schlag.

(Gelächter)

Ich werde Ihnen das noch einmal vorspielen. Er schubst sie in die richtige Position, stupst sie mit seiner Nase an und schlägt zu. Ein paar Schläge später ist die Schnecke aufgebrochen und er hat ein leckeres Abendessen. Nun, die Fangarme des Schmetterers können mit einem Punkt am Ende zustechen, oder sie können mit der Ferse zuschlagen. Und heute werde ich über den zuschlagenden Typ des Stoßes sprechen.

Nun war die erste Frage die mir in den Sinn kam, na ja, wie schnell bewegt sich sein Schenkel? Denn in dem Film bewegt er sich ziemlich verflixt schnell. Und ich stieß sofort auf ein Problem. Keine Hochgeschwindigkeitskamera des Fachbereichs Biologie in Berkley war schnell genug, diese Bewegung einzufangen. Wir konnten es schlicht nicht auf Film festhalten. Deswegen hat mich das recht lang aufgehalten. Nun, eines Tages kam eine BBC Reportergruppe durch die Biologische Fakultät spaziert und schaute sich nach einer Geschichte über neue Technologien in der Biologie um. Also haben wir eine Vereinbarung getroffen. Ich sagte: "Nun, wenn ihr mir eine Hochgeschwindigkeitskamera leiht, die diese Bewegungen erfassen kann, dann dürft ihr uns beim Datensammeln filmen." Und ob Sie es glauben oder nicht, sie ließen sich darauf ein. So erhielten wir jene sagenhafte Hochgeschwindighkeitskamera. Dies ist eine sehr neue Technologie - sie ist erst seit etwa einem Jahr auf dem Markt erhältlich - und erlaubt es, extrem hohe Geschwindigkeiten bei geringer Helligkeit zu filmen. Geringe Helligkeit ist ein kritisches Thema bei Dreharbeiten mit Tieren, denn falls das Licht zu stark ist, brät man sie.

Dies ist ein Fangschreckenkrebs. Hier oben sind die Augen, und hier ist der Fangarm, und hier ist die Ferse. Und dieses Ding wird herumschwingen und die Schnecke zerschlagen. Die Schnecke ist an einen Stock gebunden, damit es etwas einfacher ist, den Schlagvorgang einzurichten. Und -- ja.

(Gelächter)

Ich hoffe, es sind keine Schneckenaktivisten anwesend.

(Gelächter)

Dies wurde mit 5.000 Bildern pro Sekunde gefilmt, und ich spiele es gerade bei 15 ab. Es ist also 333 fach verlangsamt. Und wie Sie sehen werden, dass es ist immer noch ziemlich verflixt schnell ist. 333 fach verlangsamt. Es ist ein unglaublich kraftvoller Bewegungsablauf. Die gesamte Extremität kommt nach vorn, der Körper beugt sich nach hinten - einfach eine spektakuläre Bewegung. Also, wir schauten uns diese Filme an und ermittelten wie schnell sich das Bein bewegte, um zur ursprünglichen Fragestellung zurückzukehren. Wir erfuhren die erste Überraschung. Was wir also errechneten war, dass die Glieder sich mit einer Spitzengeschwindigkeit zwischen 10 Meter pro Sekunde bis hin zu 23 Meter pro Sekunde bewegen. Für diejenigen unter euch, die Meilen pro Stunde bevorzugen, das sind über 45 Meilen pro Stunde in Wasser. Und das ist wirklich verflixt schnell. Und zwar ist es derat schnell, dass wir einen neuen Eintrag auf der Skala der extremen Bewegungen des Tierreichs hinzufügen konnten. Nun haben Fangschreckenkrebse offiziell die schnellste gemessene Schlaggeschwindigkeit zur Nahrungsaufnahme aller tierischen Systeme. Soviel zur ersten Überraschung.

(Applaus)

Also das war ziemlich cool und sehr unerwartet. Also, Sie fragen sich vielleicht, na ja, wie machen die das? Und tatsächlich zeigt diese Arbeit aus den 1960ern, von einem berühmten Biologen namens Malcolm Burrows, dass die Fangschreckenkrebse etwas verwenden, was man einen Schnappmechanismus, oder Klickmechanismus nennt. Und dieser besteht im Wesentlichen aus einem großen Muskel, der einge recht lange Zeit benötigt um zu kontrahieren und einer Verriegelung, die alles vom Bewegen hindert. Der Muskel kontrahiert also und nichts passiert. Und sobald der Muskel vollständig kontrahiert ist, alles in sich speichernd -- fliegt die Verriegelung nach oben und die Bewegung ist da. Das ist im Grunde was man ein leistungsverstärkendes System nennt. Der Muskel braucht eine lange Zeit für die Kontraktion und das Glied eine sehr kurze Zeit herauszufliegen. Nun dachte ich, dass dies schon das Ende der Geschichte war. Dies ist wie Fangschreckenkrebse jene sehr schnellen Schläge ausführen.

Aber dann unternahm ich einen Ausflug in das National Museum of Natural History. Und falls einer von Ihnen jemals die Gelegenheit hat, hinter den Kulissen des National Museum of Natural History, ist eine der weltbesten Sammlungen von konservierten Fangschreckenkrebsen. Und was --

(Gelächter)

das ist eine ernste Angelegenheit für mich.

(Gelächter)

Nun, das -- was ich auf jedem einezelnen Schenkel eines Fangschreckenkrebses fand, egal ob "Schmetterer" und "Speerer", war eine schöne sattelförmige Struktur genau auf der oberen Fläche des Schenkels. Und das können Sie hier sehen. Es sieht aus wie ein Sattel, den man einem Pferd aufzäumt. Es ist eine sehr schöne Struktur. Sie ist umgeben von membranartigen Gebieten. Diese membranartigen Gebiete erschienen mir wie als wären sie möglicherweise eine Art dynamisch flexible Struktur. Das hat mich für eine Weile wirklich irgendwie ratlos gemacht. Und dann machten wir eine Reihe von Berechnungen und was wir zeigen konnten war, dass diese Fangschreckenkrebse eine Feder besitzen müssen. Es musste irgend eine Art Sprungfedermechanismus geben, um die beobachtete Menge an Kraft zu erzeugen und die Geschwindigkeit, die wir beobachten und die Ausgangsgrößen des Systems. Wir dachten nun, OK, das muss eine Sprungfeder sein - Der Sattel könnte gut als Sprungfeder dienen. Nun schauten wir uns wieder diese Hochgeschindigkeitsfilme an, und konnten tatsächlich eine Komprimierung und Expansion des Sattels visualisieren. Und ich werde das gerade noch einmal machen. Wenn Sie sich den Film anschauen -- es ist etwas schwer zu erkennen -- es ist in Gelb dargestellt. Der Sattel ist in Gelb dargestellt. Sie können es tatsächlich sehen. er expandiert während des Stoßes und überexpandiert sogar. Nun hatten wir sehr greifbare Beweise die zeigten, dass diese sattelförmige Struktur tatsächlich komprimiert und expandiert und in der Tat als Sprungfeder agiert.

Die sattelförmige Struktur ist auch bekannt als ein hyperbolisches Paraboloid, oder als antiklastische Oberfläche. Und diese ist Ingenieuren und Architekten sehr gut bekannt, da diese Form sehr widerstandsfähig gegenüber Kompression ist. Sie ist in zwei Richtungen gekrümmt, eine aufsteigende Kurve und querverlaufend gegenüber zu ihr eine abfallende, so dass jeglicher Störeinfluss die Kräfte über Oberflächen dieser Form verteilt. Sehr bekannt bei Ingenieuren also, nicht ganz so bekannt bei Biologen. Dies ist auch einigen Leuten bekannt, die Schmuck herstellen, weil es sehr wenig Materialaufwand erfordert, diese Art von Oberfläche zu bauen und sie ist zudem sehr fest. Wenn Sie also eine dünne Goldstruktur bauen möchten, dann ist es sehr nett, diese in einer widerstandsfähigen Form zu haben.

Nun, auch Architekten ist dies bekannt. Einer der berühmtesten Architekten ist Eduardo Catalano, der diese Struktur populär machte. Was hier gezeigt wird ist ein sattelförmiges Dach, das er gebaut hat. das sind 87½ Fuß Spannweite. Es ist 2½ Inch dick und an zwei Punkten gestützt. Und einer der Gründe warum er Dächer dieser Art entworfen hat ist, weil es -- er fand es faszinnierend, dass man eine derart feste Struktur bauen kann, aus so wenig Material und mit so wenigen Stützpunkten. Und all das sind die gleichen Prinzipien, die für die sattelförmige Feder bei Stomatopoden gelten. Bei biologischen Systemen ist es wichtig, nicht zu allzu viel überflüssiges Material zu verbauen. Sehr interessante Parallelen also zwischen der biologischen und der ingenieurtechnischen Welt. Der stomatopod'sche Sattel erweist sich als die erste beschriebene biologische hyperbolische Parabolidfeder. Das ist ein bisschen lang, aber es ist irgendwie interessant.

Die nächste und letzte Frage war also, na ja, wie viel Kraft erzeugt ein Fanschreckenkrebs, wenn er in der Lage ist Schnecken aufzubrechen? Also verkabelte ich etwas, dass sich Wägezelle nennt. Eine Wägezelle misst Kräfte und das ist eigentlich eine piezoelektrische Wägezelle mit einem Kristall im Inneren. Wenn der Kristall gequetscht wird, ändert sich das elektrische Feld und es - welches -- im Verhältnis zu der eingehenden Kraft. Diese Tiere sind also wunderbar aggressiv und ständig hungrig. Alles was ich daher tun musste, war im Grunde etwas Garnelenpaste auf die Vorderseite der Wägezelle zu tun und sie schlagen das weg. Das ist also ein gewöhnlicher Film von dem Tier, das wie wild auf die Wägezelle einschlägt. Und wir konnten so einige Kraftmessungen vornehmen. Und wieder gab es eine Überraschung.

Ich kaufte eine 100 Pfund Wägezelle im Glauben, dass kein Tier dieser Größe mehr als 100 Pfund erzeugen kann. Und bevor wir uns versahen, überlasteten sie die Wägezelle augenblicklich. Das ist also eigentlich ein alter Datensatz, bei dem ich die kleinsten Tiere im Labor finden musste und wir konnten Kraftmessungen von weit über 100 Pfund tätigen, erzeugt von einem Tier etwa dieser Größe. Und nun habe ich letzte Woche erst eine 300 Pfund Wägezelle bekommen, installiert, und diese Tiere dabei gemessen wie sie weit über 200 Pfund Kraft erzeugen. Und wieder denke ich, dass dies ein Weltrekord sein wird. Ich muss ein bisschen mehr Literatur recherchieren, jedoch glaube ich, dass dies der größte Betrag erzeugter Kraft ist, durch ein Tier einer bestimmten -- pro Körpermasse. Also, in der Tat unglaubliche Kräfte. Und wieder bringt uns das zurück zu der Bedeutung dieser Sprungfeder bei der Speicherung und Freisetzung von so viel Energie in diesem System. Aber das war nicht das Ende der Geschichte.

Nun, die Sache ist -- ich lasse das hier sehr einfach erscheinen, das ist jedoch eine Menge Arbeit. Ich hatte nun alle diese Kraftmessungen und dann ging ich her und betrachtete die Kraftausgangsgröße des Systems. Das ist nun sehr einfach -- die Zeit ist auf der x-Achse und die Kraft ist auf der y-Achse. Und sie können zwei Spitzen erkennen. Und das ist, was mich wirklich verblüffte. Die erste Spitze ist offensichtlich das Bein, das auf die Wägezelle trifft. Aber es gibt eine wirklich große zweite Spitze eine halbe Millisekunde später und ich hatte keine Ahnung, woher die stammte. Nun, man könnte eine zweite Spitze aus unterschiedlichen Gründen erwarten, aber nicht eine halbe Millisekunde später. Um wieder auf die Hochgeschwindigkeitsvideos zurück zu kommen, hier gibt es einen ziemlich guten Hinweis über das, was vor sich gehen könnte. Das hier ist die gleiche Anordnung, die wir zuvor gesehen haben Das hier ist der Fangarm -- hier ist die Ferse, und das wird herumschwingen und auf die Wägezelle treffen. Und was ich Sie während dieses Filmes zu tun bitte, ist Ihre Augen auf das zu lenken, auf die Oberfläche der Wägezelle, während der Schenkel durchgeflogen kommt. Und was ich erhoffe ist, dass Sie tatsächlich einen Lichtblitz erkennen können.

Publikum: Wow.

Sheila Patek: Wenn wir nun dieses eine Einzelbild nehmen, kann man am Ende des gelben Pfeiles eine Dampfblase sehen. Und was dies zeigt, ist Kavitation. Nun, Kavitation ist ein äußerst wirksames fluidmechanisches Phänomen, das auftritt, wenn Sie Bereiche haben von Wasser, die sich mit extrem unterschiedlichen Geschwindigkeiten bewegen. Und wenn dies eintritt, kann es zu Gebieten sehr geringen Drucks führen, was in einer buchstäblichen Verdampfung von Wasser resultiert. Und wenn diese Dampfblase kollabiert, emitiert sie Schall, Licht und Wärme, und das ist ein sehr zerstörerischer Prozess. Und so verhält sich das bei den Stomatopoden. Und es ist wieder so, dass Ingenieure dieses Phänomen sehr gut kennen. Denn es zerstört Schiffsschrauben. Einige Menschen kämpfen bereits viele Jahre damit und versuchen, sehr schnell rotierende Schiffsschrauben so zu gestalten, dass diese nicht kavitieren und an diesen im wahrsten Sinne des Wortes das Metall nicht abgetragen und perforiert wird, so wie diese Bilder das zeigen.

Das ist also eine starke Kraft in flüssigen Phasen und um das jetzt einen Schritt weiter zu führen, werde ich Ihnen den Fangschreckenkrebs bei der Annäherung an die Schnecke zeigen. Dies wurde bei etwa 20.000 Einzelbildern pro Sekunde gefilmt, und ich muss dem BBC Kameramann, Tim Green, die ganze Anerkennung für diese Aufnahme zollen, denn ich hätte dies nicht in Millionen von Jahren hinbekommen. Einer der Vorzüge der Arbeit mit professionellen Kameraleuten. Sie sehen wie es eintrifft und einen erstaunlichen Lichtblitz, und diese gesamte Kavitation verteilt sich über die Oberfläche der Schnecke. Wirklich, einfach ein erstaunliches Bild, extrem verlangsamt auf äußerst langsame Geschwindigkeiten. Und wiederum können wir das hier in leicht veränderter Form sehen, zusammen mit den sich bildenden und kollabierenden Blasen zwischen den zwei Oberflächen. Möglicherweise haben Sie vielleicht sogar etwas Kavitation an der Ecke des Schenkels heraufwandern sehen können.

Um also das Dilemma der zwei Kraftspitzen zu klären: ich vermute, was hier vor sich ging ist, dass der erste Einschlag tatsächlich der Schenkelauprall auf die Wägezelle, und der zweite Einschlag in der Tat der Zusammenbruch der Kavitationsblasen ist. Und diese Tiere können sehr wahrscheinlich Gebrauch machen, nicht nur von der Kraft und Energie, die in dieser speziellen Sprungfeder gespeichert ist, sondern auch von den extremen Eigenschaften der Strömungsmechanik. Sie könnten tatsächlich die Strömungsmechanik als zweite Kraft gebrauchen, um die Schnecke aufzubrechen. Also, ein wirklich faszinierender Doppelschlag von diesen Tieren, sozusagen.

Nun, eine Frage bekomme ich nach diesem Vortrag oft gestellt - daher dachte ich mir, sie gleich jetzt zu beantworten: was geschieht mit dem Tier? Denn wenn es offensichtlich Schnecken knackt, muss sich der arme Schenkel auch zerlegen. Und das tut er, in der Tat. Das ist der schlagende Teil der Ferse auf diesen beiden Bildern und er wird abgetragen. Ich habe sogar gesehen, wie sie die Ferse bis zum Fleisch abnutzen. Aber eines der angenehmen Dinge, ein Gliederfüßer zu sein ist, dass man sich häuten muss. Und alle drei Monate etwa häuten sich diese Tiere, und sie bilden einen neuen Schenkel und es gibt kein Problem. Eine sehr, sehr bequeme Lösung für das spezielle Problem.

Nun, ich möchte gerne mit einer etwas verwunderlichen Folgerung enden.

(Gelächter)

Vielleicht ist das alles verwunderlich für Menschen wie Sie, ich weiß es nicht.

(Gelächter)

Also, der Sattel -- die sattelförmige Sprungfeder -- ist den Biologen eigentlich seit geraumer Zeit bekannt, nicht als Sprungfeder, sondern als ein optischer Reiz. Hier ist ein eigentlich spektakulär gefärbter Punkt im Mittelpunkt des Sattels bei vielen Arten von Stomatopoden. Und es ist recht interessant, evolutionäre Ursprünge von optischen Reizen in etwas zu finden, das, eigentlich bei allen Arten, die Sprungfeder darstellt. Und ich glaube eine Erklärung hierfür lässt sich finden, wenn man nochmals die Häutung in Betracht zieht.

Diese Tiere beginnen die Häutungsphase, in der sie schlagunfähig sind - ihre Körper werden sehr weich. Und sie sind buchstäblich schlagunfähig oder sie zerstören sich selbst. Das ist harte Realität. Nun bis zu dieser Phase, in der sie schlagunfähig sind, werden sie wahrhaft abscheulich und schlimm, und treten alles in Sichtweite, ganz egal wen oder was. In der Sekunde, in der sie in die schlagunfähige Phase eintreten, geben sie einfach nur Signale von sich. Sie winken mit den Beinen umher. Dies ist ein klassisches Beispiel von tierischem Täuschungsverhalten. Dies ist eine gut entwickelte Eigenschaft bei diesen Tieren, dass sie tatsächlich täuschen. Sie können eigentlich nicht zuschlagen, aber sie tun als ob. Daher war ich sehr neugierig, ob diese farbigen Punkte in der Mitte des Sattels irgend eine Art von Information beinhalten bezüglich ihrer Fähigkeit zu Schlagen, oder ihrer Schlagkraft und etwas über die Zeitspanne des Häutungszykluses. Also eine irgendwie interessante, seltsame Eigenschaft einer visuellen Struktur, direkt im Zentrum ihrer Sprungfeder.

Abschließend möchte ich besonders meinen zwei Mitarbeitern Wyatt Korff und Roy Caldwell danken, die eng mit mir an dem gearbeitet haben. Und auch dem Miller Institute for Basic Research in Science, das mich drei Jahre dabei unterstützt hat, die ganze Zeit ausschließlich Forschung zu betreiben und dafür bin ich sehr dankbar. Vielen Dank.

(Beifall)