Sheila Patek cronometra gli animali più veloci.

Se vi interessa sapere come si può suonare un'aragosta, qui ne abbiamo qualcuna. No no, non è uno scherzo, le abbiamo per davvero. Dopo venite pure qui, e vi mostrerò come si fa a suonarle

A dirla tutta ho iniziato a lavorare con dei crostaci, le mantidi di mare, un paio di anni fa, perché producono suono. Ed ecco una registrazione di una mantide di mare, l'avevo trovata lungo le coste della California. E' davvero un suono affascinante, ma il progetto che ne è nato è stato a dir poco difficoltoso. E mentre mi spremevo le meningi per capire come e perché le mantidi di mare, o stomatopodi, producono suono, sono finita a concentrarmi sulle loro appendici. Vengono chiamate mantidi di mare perché assomigliano alle mantidi, che hanno delle appendici alimentari velocissime. Così ho iniziato a pensare che, beh, magari poteva essere interessante, mentre ascoltavo il suono che producevano, riuscire anche ad immaginare come questi animali riescano a scattare verso il cibo così velocemente. Quindi, oggi vi parlerò degli attacchi degli stomatopodi, e questa ricerca è nata dalla collaborazione con Wyatt Korff e Roy Caldwell.

Dunque, esistono due varietà di mantidi di mare: le lanciatrici e le trituratrici. Ecco una mantide di mare lanciatrice, o stomatopode propriamente detto. Di solito vivono nella sabbia, pronti a cacciare il cibo che passano sopra la testa. Con un colpo come questo. E se rallentiamo anche solo di poco, ecco la mantide di mare,,,sempre della stessa specie... registrata a 1000 fotogrammi al secondo ed eccola qui a 15 fotogrammi al secondo. Come potete vedere, si tratta di una estensione spettacolare delle membra verso l'alto, per arrivare a prendere un pezzetto di gambero che le avevo offerto. Ora, il secondo tipo di mantide di mare è lo stomatopode trituratore, e questo piccolino sopravvive aprendo le lumache. Quello che fa è bloccare la lumaca e assestarle il colpo di grazia.

(Risate)

Bene, rivediamolo. La scuote, poi la strattona con il muso, e alla fine la colpisce. Un paio di colpi più tardi, la lumaca ha il guscio completamente aperto, e il nostro amico può gustarsi la sua cena. Quindi, l'appendice può conficcarsi in un unico punto alla fine, oppure può uccidere usando il tallone. Quello di cui vorrei parlare oggi è proprio l'attacco del trituratore.

Quindi, la prima domanda che mi saltò in testa è stata: a quale velocità si muoveranno mai queste membra? Perché l'avete visto anche voi dal video, sono dannatamente veloci. Immediatamente mi sono posta anche un altro problema: nessun sistema video ad alta velocità dell'intero dipartimento di biologia di Berkley era abbastanza veloce da catturare un simile movimento. Era semplice: non eravamo in grado di catturare quell'attimo in un video. Per tanto tempo mi sono sentita frustrata per questo, ma alla fine al dipartimento di biologia è arrivata una troupe della BBC a passo di danza, cercando una storia che avesse a che fare con l'uso delle nuove tecnologie in biologia. Ed è stato così che abbiamo stretto un patto. Ho detto, "bene, ragazzi, se avete l'attrezzatura video necessaria a catturare questi movimenti, potrete filmarci voi, e raccogliere tutti i dati che vorrete". Siete liberi di non crederci, ma hanno accettato. Ed è stato così che abbiamo potuto utilizzare questo incredibile sistema video. E' nuova tecnologia che più nuova non si può... è stata messa a punto circa un anno fa... e permette di fare registrazioni ad altissima velocità nonostante una luce soffusa. Mantenere una luce soffusa è indispensabile mentre si filmano gli animali perché, se fosse stata troppo forte, avremmo finito col friggerli.

Ecco la nostra amica mantide di mare. I suoi occhi, l'appendice predatoria, ed ecco qui il tallone. Ed eccolo qui che sta per scattare e colpire la lumaca. La poveretta è attaccata ad un bastoncino, quindi per la nostra mantide è stato addirittura più facile assestare il colpo. E...colpita.

(Risate)

L'unica cosa che spero è che non ci siano in sala attivisti per i diritti delle lumache.

(risate)

Dunque, tutto questo è stato filmato a 5000 fotogrammi al secondo, e ora lo vediamo a 15 fotogrammi, quindi rallentando di 333 volte. E, come noterete, rivedendolo è un movimento dannatamente veloce anche se rallentato di 333 volte, e anche incredibilmente vigoroso. L'appendice si allunga del tutto. Il corpo si flette di conseguenza... è spettacolare. Quello che abbiamo fatto è stato guardare i video e cronometrare quanto velocemente si muoveva l'appendice per tornare alla posizione originale. E' stato allora che abbiamo avuto la nostra prima sorpresa. Quello che abbiamo calcolato è stato che le appendice della mantide si muovevano alla velocità spettacolare di 10 metri al secondo fino ad arrivare ai 23 metri al secondo. Qualcuno di voi potrebbe preferire sapere la velocità in chilometri orari, e in questo caso parliamo di 72 chilometri e mezzo all'ora in acqua. Davvero molto veloce. A dirla tutta, è un movimento così tanto veloce da poter aggiungere un nuovo parametro allo spettro dei movimenti degli animali più veloci al mondo. E la mantide di mare è ora ufficialmente l'animale con il colpo più veloce mai cronometrato. Ed ecco a voi la prima sorpresa.

(applausi)

Ed è stato davvero emozionante e inaspettato. Magari quello che vi state domandando è d'accodo, ma come hanno fatto ad arrivarci? In realtà, il lavoro è stato iniziato negli anni '60 da un famoso biologo, Malcolm Burrows. Riuscì a dimostrare che le mantidi di mare usano un meccanismo chiamato meccanismo di cattura, o a scatto. Consiste fondamentalmente in un muscolo piuttosto largo, che impiega abbastanza a contrarsi, e una specie di chiavistello che impedisce a qualunque cosa ci sia in mezzo di muoversi. Quindi il muscolo si contrae, e non succede ancora nulla. Una volta che si è contratto completamente, accumula energia e il chiavistello scatta, e da questo si genera il movimento. In sostanza, questo è quello che si può chiamare sistema di amplificazione della forza. Il muscolo impiega molto tempo a contrarsi, ma l'appendice è velocissima a uscire. Ecco, ero convinta che con questo si concludesse la storia. Che questo fosse il motivo per cui i colpi della mantide di mare sono così veloci.

Ma un giorno sono andata al Museo Nazionale di Storia Naturale. Se mai qualcuno di voi se avesse l'opportunità di andarci, detto tra noi sappiate che il Museo Nazionale di Storia Naturale è in possesso della più grande collezione al mondo di mantidi di mare. E...

(Risate)

ehi, questo è un argomento molto importante per me.

(Risate)

Comunque...quello che ho notato, in ogni singola appendice di mantide di mare, non importa che fosse una lanciatrice o trituratrice, è una splendida struttura a forma di sella proprio all'estremità superficiale dell'appendice. Eccola qui, la potete vedere. Sembra esattamente una sella che potreste mettere su un cavallo, giusto? E' una bellissima struttura. E avevo anche notato che era circondata da delle membrane, che mi hanno fatto pensare a una struttura flessibile e dinamica. Tutta questa storia mi ha fatto perdere il sonno per un bel pezzo. Alla fine abbiamo fatto un bel po' di calcoli, e siamo riusciti a dimostrare che le mantidi di mare devono avere per forza una molla. Insomma, hanno bisogno di un qualche tipo di meccanismo a molla per innescare l'accumulo di energia, la velocità, e anche per innescare il sistema di muscolo e chiavistello. Ci siamo detti, benissimo, ci deve essere una molla... e la sella potrebbe essere una molla perfetta. Abbiamo riguardato tutti i filmati, e ci siamo resi conto che, per davvero, la sella si comprime e si espande. Ve lo faccio rivedere un'altra volta. E se guardate bene... non è semplicissimo accorgersene... è evidenziata in giallo. Ecco, la sella è evidenziata in giallo. E potete vederla sul serio, che durante il colpo si allunga. Quindi, avevamo una vera e propria prova che la struttura a forma di sella si comprime e si estende e, in definitiva, funziona esattamente come una molla.

Inoltre, ci siamo anche resi conto che questa struttura a forma di sella ha una superficie iperbolica paraboloide, o anti clastica. Questa è pane quotidiano per ingegneri e architetti, perché è una superficie che resiste bene anche alla compressione. Presenta curvature in due direzioni, una verso l'alto e l'altra, al contrario, verso il basso quindi una forza esterna non farà altro che distendersi sulla superficie della struttura. Tutto questo è già noto da tempo agli ingegneri, ma non posso dire altrettanto dei biologi. Credo che anche gli artisti che creano gioielli ne siano a conoscenza, perché anche con poco materiale si può costruire una struttura di questo tipo, ed è davvero robusta e resistente. Quindi, se vi venisse in mente di costruire un oggetto sottile in oro, fareste meglio a farlo con una struttura il più possibile resistente.

Bene, è una cosa conosciuta anche dagli architetti. E' stato proprio un architetto famoso, Eduardo Catalano, che ha reso celebre questo tipo di struttura. Ora potete vedere un tetto che Catalano ha progettato a forma di sella, con un'estensione di 26 metri. E spesso solo 6 centimetri, e sostenuto in due punti. Una delle ragioni per cui ha deciso di costruire il tetto con questa forma è perché trovava assolutamente affascinante l'idea di costruire una struttura talmente solida che avesse bisogno di così poco materiale e sostegno. E questi sono tutti esempi dei modi in cui si può applicare la stessa struttura a sella che negli stomatopodi ha la funzione di una molla. Parlando in termini biologici, è molto importante non aver bisogno di materiale in eccesso per costruire una struttura fisica. Trovo sia davvero interessante questo parallelo tra il mondo della biologia e quello dell'ingegneria. In più, quella degli stomapodi risulta essere la prima struttura a sella descritta a livello biologico come una molla iperbolica paraboloide. Sì, è piuttosto lungo da dire, ma è anche davvero intrigante.

Bene, ultima domanda: quanta forza dovrà mai produrre una mantide di mare per aprire una lumaca? Così ho dovuto collegare la mantide a quella che si chiama cella di carico. Una cella di carico misura l'intensità della forza, e questa in particolare è una cella di carico piezoelettrica che contiene un piccolo cristallo. Quando il cristallo viene compresso le proprietà elettrice cambiano in proporzione alla forza che viene applicata. Dunque, questi animali sono straordinariamente aggressivi, e nel momento del test anche decisamente affamati. Tutto quello che ho dovuto fare è stato mettere dei pezzetti di gamberetto davanti alla cella, e loro ci si sono scagliati contro. Ecco, questo è un video dell'animale che colpisce la cella di carico. In questo modo abbiamo potuto misurare la forza che veniva applicata. E, anche in questo caso abbiamo avuto una grande sorpresa.

Avevo preparato una cella da 45 chili pensando che nessun animale di taglia così piccola potesse produrre una forza superiore ai 45 chili. Immaginate un po', hanno immediatamente sovraccaricato la cella di carico. Questi sono alcuni vecchi dati di quando dovetti trovare gli animali più piccoli in laboratorio, ed eravamo riusciti a rintracciare una forza di circa 45 chili in animali delle grandezze che ora potete leggere. In realtà, non più tardi della settimana scorsa ho usato una cella da 136 chili e ho misurato in questi animaletti una forza di oltre 90 chili. Io credo che anche questo sia un nuovo record. Devo ancora documentarmi bene, ma penso che questa sia la più grande forza prodotta da un animale relativamente alla sua massa corporea. Una forza davvero incredibile. Credo che questo ci ricordi ancora l'importanza della molla, che mette in moto il meccanismo e produce una tale quantità di energia. Ma questa non è ancora la fine della nostra storia.

Sto semplificando molto, ma parliamo davvero di un lavoro enorme che è stato fatto. Ho misurato la forza, e dopo ho riportato i dati nello schema. E' molto semplice -- il tempo è sull'asse x e la forza sull'asse y. Potete vedere che ci sono due picchi. E' stato esattamente questo che mi ha lasciata perplessa. Ovviamente, il primo picco rappresenta l'appendice della mantide che colpisce la parete della cella. Ma c'era un secondo ampio picco mezzo millisecondo più tardi, e non riuscivo a capire da cosa dipendesse. Certo, ci si poteva aspettare un altro picco, ma non certo mezzo millisecondo dopo. Guardando di nuovo i nostri video abbiamo trovato un buon suggerimento per capire cosa fosse successo. Questa è la stessa angolazione che abbiamo visto prima. Ecco l'appendice -- e il tallone ed ecco il momento in cui sta per scattare e colpire la cella. Quello che vorrei fare è aiutarvi a rimanere concentrati proprio su questo punto, la superficie della cella, nel momento in cui l'appendice sta per arrivare. Spero davvero che riusciate a vedere questo lampo di luce.

Pubblico: Wow.

Sheila Patek: E se riusciamo a separare solo questo fotogramma, quello che notiamo all'estremità della freccia gialla è una bolla di vapore. E sapete cos'è? E' un esempio di cavitazione. La cavitazione è un fenomeno fisico che riguarda la dinamica dei fluidi è avviene quando sono presenti delle masse di acqua che si muovono a velocità molto diverse. Quando avviene questo, possono formarsi delle aree con pressioni molto basse, e quindi l'acqua letteralmente vaporizza. Quando queste bolle di vapore collassano emettono suono e producono luce e calore, potremo dire che è un processo davvero distruttivo. Torniamo ai nostri stomatopodi. Come per la situazione precedente, gli ingegneri conoscono bene questo fenomeno, perché è in grado di distruggere le eliche delle barche. Quindi hanno faticato per anni per progettare delle eliche per navi a rotazione veloce in modo che non fossero soggette a cavitazione perché in tal caso il fenomeno produce la perdita del metallo e la formazione di buchi, proprio come potete vedere in queste immagini.

Quindi questa è una forza potente nei sistemi dei fluidi, e per mostrarlo più chiaramente vi mostro di nuovo la mantide di mare che si avvicina alla lumaca. Questa ripresa è a 20000 fotogramma al secondo, e devo lasciare tutto il merito a Tim Green, cameraman della BBC, per aver caricato il video, perché io non ci sarei riuscita neanche in un milione di anni. Questo è uno dei tanti lati positivi di lavorare con dei cameramen professionisti. Bene, potete vedere che si avvicina, e subito dopo un'incredibile lampo, e la forza della cavitazione colpire la superfice della lumaca. E' davvero un'immagine fantastica, ed è stata rallentata in maniera incredibile. E possiamo anche rivederla da un'angolazione leggermente diversa, ecco le bolle che si formano e poi scoppiano tra le due superfici. In effetti, potreste addirittura avere visto la cavitazione sul bordo dell'arto.

E questo risolve il dilemma dei due picchi di forza: penso che quello che succeda sia che il primo impatto è l'appendice che colpisce la cella, e il secondo impatto il collasso della bolla di cavitazione. Quindi i nostri animali sfruttano non solo la forza e l'energia che scaturiscono dalla loro molla specifica, ma dagli estremi della dinamica dei fluidi. E si potrebbe anche pensare che sfruttino questa dinamica anche come una seconda forza per rompere il guscio delle lumache. Quindi, si potrebbe dire che per le lumachine è una doppia colpo, da questi animali.

C'è una domanda che mi sento rivolgere spesso dopo questo ragionamento... quindi credo che questa volta risponderò...cioè, ma cosa succede a questi animali? Perché, ovviamente, se si mette a distruggere lumache, anche la povera appendice finirà disintegrata. E, in effetti, così è. In entrambe le immagine si vede la parte del tallone che colpisce la lumaca, ed è tutto rovinato. In effetti, li ho visti consumarsi i talloni fino ad arrivare alla carne viva. Ma l'aspetto positivo di essere un artropode è la muta. Ogni tre mesi circa questi animali fanno la muta, costruiscono una nuova appendice e il problema scompare. Direi che è una soluzione davvero intelligente per risolvere questo particolare problema.

Ora, mi piacerebbe concludere con una stravaganza.

(Risate)

Beh, magari a voi ragazzi queste sembrano tutte cose strambe.

(Risate)

Dunque, la sella... la molla a forma di sella... in realtà è conosciuta dai biologi già da molto tempo, ma non con la funzione di molla, bensì come un segnale visivo. Infatti c'è anche un bellissimo pois colorato proprio nel centro della sella in molte specie di stomatopodi. E credo sia così interessante scoprire l'origine evolutiva di un segnale visivo che, in tutte le specie, in realtà ha la funzione di molla. Penso che una possibile spiegazione possa essere trovata tornando al fenomeno della muta.

Dunque, questi animali entrano nel periodo della muta, in cui non riescono a colpire nulla -- i loro corpi si fanno molto morbidi. Letteralmente non possono colpire nulla, perché altrimenti si distruggerebbero. E questo è un dato di fatto. Nel periodo in cui non possono colpire, diventano davvero temibili e disgustosi, e colpiscono qualunque cosa gli capiti a tiro, non importa chi o cosa sia. E un secondo dopo essere entrati nel periodo in cui non possono più colpire nulla, iniziano a fare dei segnali. Agitano le zampe. Ecco, questo è un classico esempio di bluff nel regno animale. E' un fatto ormai accertato che questi animali bluffino. Non possono colpire in realtà, ma fingono di poterlo ancora fare. Quindi sono davvero curiosa di capire se questi pois colorati al centro della sella comunichino qualche informazione sulla capacità di colpire, o sulla loro forza, o qualcosa sul periodo della muta. E' davvero una cosa strana trovare una struttura di informazione visiva proprio nel mezzo della loro molla.

In conclusione, voglio soprattutto ringraziare i miei due collaboratori, Wyatt Korff e Roy Caldwell, che hanno lavorato al mio fianco in questo progetto. E ovviamente anche il Miller Institute for Basic Research in Science, che mi ha finanziato per tre anni per permettermi di occuparmi di scienze a tempo pieno, e per questo mi sento davvero grata. Grazie a tutti voi.

(applausi)