Run, Gecko, run: un mecanismo de movimiento de agua híbrido gecko

¿Por qué no nos tomamos un descanso de la física cuántica, la ciencia de los materiales y la química en este hermoso día de viernes? Que dices Después de todo, el mundo de la investigación científica, la investigación y el descubrimiento no se limita a una sola dirección. Física, química, biología, astronomía, etc. - Todos los días aprendemos algo nuevo en estas áreas, y sería un error limitar nuestra atención solo a usted, digamos, por la física. Por lo tanto, hoy habrá un poco de biología. Al estudiar varias publicaciones científicas, tanto en el tema como en la dirección, me encontré con un descubrimiento curioso. Y como el personaje principal de este descubrimiento es una criatura que siempre me gustó, no pude pasar de largo. Entonces, según el descubrimiento, los gecos comunes pueden correr sobre el agua. ¿No es muy impresionante? No se apresure a sacar conclusiones, porque estos pequeños lagartos ágiles usan varias técnicas a la vez para realizar tales movimientos, a diferencia de otros animales. Si todavía te preguntas cómo lo hacen, no llegaremos tarde. Vamos

Protagonista

Los geckos no son una especie de criaturas, sino una familia completa de más de 1,100 especies, cada una de las cuales tiene sus propias características individuales, desde el tamaño y el color hasta el hábitat y la dieta. La aparición de geckos puede ser muy inusual, pero esto se debe al hábitat y los hábitos de la especie.


Geco cola de hoja

Por ejemplo, este bebé, geco cola de hoja, puede esconderse fácilmente entre el follaje seco. Es cierto que su apariencia llevó a los descubridores a darle un nombre no tan lindo: gecko satánico de cola de hoja (gecko satánico de cola de hoja). En mi cabeza, por su apariencia, solo hay una palabra: Drakaris. :)

Todos estos hermanos moteados (o, más correctamente, escamosos) tienen características comunes, al menos en muchas de las especies. Lo más notable es su capacidad para retratar a Spider-Man, o más bien para aferrarse a casi cualquier superficie y moverse no solo verticalmente a lo largo de las paredes, sino también en el techo. Lo más interesante es el principio por el cual son capaces de hacer esto: muchos pelos microscópicos cubren las extremidades del geco. Estos pelos se adhieren a la superficie debido a la fuerza de Van der Waals. Por el mismo principio, el héroe del cómic mencionado se aferra a las superficies.


A la izquierda hay un cuadro de la película Spider-Man (2002), y a la derecha hay una foto macro de la almohada en el pie del geco.

Además, uno no debe olvidarse de los increíbles ojos de los geckos. Las especies, principalmente activas por la noche, tienen fotosensibilidad aumentada. En otras palabras, sus ojos son capaces de captar incluso una pequeña cantidad de luz, lo que les permite incluso reconocer colores en la oscuridad. Los geckos de supervisión han sido estudiados repetidamente. Por ejemplo, en este estudio, los científicos describen las diferentes propiedades oculares de dos especies de gecko: Phelsuma madagascariensis grandis diurna (gecko diurno gigante de Madagascar) y Tarentola chazaliae nocturna (gecko con cabeza de casco).


Apariencia del ojo de Gekko smithii (gecko halagador grande o gecko Smith).

Pero hoy nos reunimos no para estudiar las increíbles habilidades visuales de los geckos, sino sus habilidades acrobáticas igualmente increíbles. Por lo tanto, procedemos directamente al estudio mismo.

La esencia del estudio.

En un bosque tropical en Singapur, se hizo un video de alta velocidad de cómo un pequeño gecko supera un obstáculo de agua para llegar a un árbol.



Además, la velocidad de su movimiento era casi la misma que cuando se movía sobre una superficie sólida. Este video planteó la pregunta a los científicos: ¿cómo hacen esto los geckos? Se llevaron a cabo estudios de laboratorio, que mostraron que los geckos utilizan varias técnicas a la vez para moverse en la superficie del agua, lo que los hace bastante únicos en el reino animal.


Strider de agua

Los investigadores señalan que la evolución le ha dado a diferentes animales que pueden moverse sobre el agua diferentes formas de lograr esto. Por lo tanto, algunos insectos pequeños tienen una estructura no estándar de las extremidades, lo que les permite permanecer en el agua debido a la fuerza de tensión superficial. Sin embargo, este método no es universal, porque otros animales más grandes evolucionaron de manera diferente. Por ejemplo, un basilisco con casco puede literalmente atravesar el agua. Los movimientos rápidos de las patas traseras le permiten acelerar a 12 km / hy correr unos 400 metros de esta manera.


Demostración de correr sobre el agua realizada por el basilisco con casco, que no es en vano llamado el lagarto de Jesucristo.

Los científicos comparten dos métodos principales para mover animales en el agua: movimiento debido a la tensión superficial y movimiento debido a ciertos movimientos de las extremidades.

Las criaturas pequeñas tienen un número de Enlace * <1, por lo tanto, para garantizar la retención en la superficie del agua, su número de Weber * también debe ser <1.

El número de enlace (Bo) * es la relación entre la gravedad y la tensión superficial.

Número de Weber (We) * : relación entre la inercia del fluido y la tensión superficial.

Un gráfico de la relación entre el número de Bond y el número de Weber, así como también dónde se ubican los diferentes organismos vivos en la escala.

En animales grandes, el número de Bond y el número de Weber son naturalmente grandes, y por lo tanto no pueden usar el primer método de movimiento en la superficie del agua. Por lo tanto, deben actuar al revés, es decir, usar la fuerza sobre la superficie del agua (bofetadas, golpes, extremidades oscilantes, etc.).

Los geckos son únicos porque tienen números de Bond y Weber (Bo = 8.7 ± 0.5, We = 47.4 ± 31.7) ubicados en algún lugar entre las dos categorías principales según el método de movimiento, marcados en verde y azul en el gráfico de arriba. Por lo tanto, los científicos llegaron a la teoría de que los geckos pueden usar tanto la fuerza de la tensión superficial como el movimiento de las extremidades al mismo tiempo para moverse a través del agua. Y cualquier teoría requiere prueba (a menos que sea un axioma, por supuesto).

Cinemática "Gecko"

La prueba involucró a 8 personas. Se realizaron un total de "carreras de agua" 63.

Los científicos señalaron que, a diferencia del basilisco con casco, el cuerpo del gecko no está completamente por encima del agua. Sin embargo, el gecko hace movimientos con sus extremidades de tal manera que se forman cavidades de aire entre ellas y la superficie del agua, al igual que el basilisco. La posición del cuerpo es la siguiente: la mitad delantera sobre el agua (altura media de la cabeza sobre el agua 13.4 ± 2.2 mm), la mitad trasera está en contacto con el agua, la cola está sumergida en agua y siempre paralela a la superficie.


Representación esquemática de la posición del cuerpo del gecko mientras se mueve sobre una superficie de agua.

La locomoción del gecko sobre el agua es muy similar a la que se muestra al correr en tierra, cuando la pata delantera se mueve en fase con la parte trasera opuesta (delantera izquierda + trasera derecha, etc.). Esta observación también es inusual, porque durante la natación rápida los reptiles no son cribados por extremidades.

A pesar de la inmersión parcial del cuerpo bajo el agua, el gecko puede moverse a través del agua a una velocidad de 60.7 ± 5.4 cm / s, que es aproximadamente igual a 10.5 longitudes del cuerpo del gecko por segundo. Este indicador prácticamente no cambia cuando se mueve en tierra. Y la velocidad máxima del agua registrada durante las pruebas fue de 97.5 cm / s (3.51 km / h).


Movimiento de gecos en el agua (vista lateral).

Cuando se alcanzan estas velocidades, los geckos pueden elevar aproximadamente el 72% de su cuerpo sobre la superficie del agua, lo que ayuda a reducir la resistencia a las olas.

Los científicos también señalan que tal movimiento de geckos en el agua no puede describirse como natación, lo que se confirma mediante observaciones.

En cuanto a los movimientos de las extremidades, en realidad existe una similitud entre el basilisco y el geco, aunque sus cuerpos están ubicados de diferentes maneras. Ambos "corredores de agua" golpean sus patas en el agua, creando un impulso que le permite continuar moviéndose (imagen superior B). El elemento más importante de este movimiento son las cavidades de aire, que deben formarse en el momento del impacto en la superficie del agua.

La diferencia más obvia, como se mencionó anteriormente, entre el gecko y el basilisco es la posición del cuerpo. Al correr por el agua, los basiliscos se enderezan verticalmente, utilizando solo sus extremidades posteriores para crear impulsos, y su cuerpo, respectivamente, está completamente por encima del agua. Los gecos no pueden hacer esto debido a las extremidades cortas y la incapacidad de cambiar la posición del cuerpo de horizontal a vertical.

¿Qué hacer en este caso? Use las 4 extremidades, por supuesto. Lo que hace el gecko, la velocidad de los golpes de agua de cada uno de ellos alcanza 76,2 ± 33,1 cm / s para las patas delanteras y 91,5 ± 29,4 cm / s para las patas traseras. Como podemos ver, la velocidad de las extremidades posteriores es mucho mayor que la delantera, debido a la posición casi horizontal del cuerpo del geco.

También vale la pena señalar la diferencia en las cavidades de aire entre geckos y basiliscos durante los ataques de agua. En los geckos, las cavidades son más oblongas y se expanden caudalmente (es decir, hacia la cola). Esto lleva a los científicos a suponer que esta forma ayuda más a crear algún tipo de tracción que a levantar el cuerpo sobre el agua (como un basilisco).

Por lo tanto, queda claro que los geckos no pueden confiar completamente en los movimientos de impacto de las extremidades, como los basiliscos, para superar el camino a lo largo de la superficie del agua. Por lo tanto, utilizan este mecanismo de movimiento junto con otros, y más precisamente con tensión superficial.

Tensión superficial

Las zancudas no solo pueden "pararse" sobre el agua, sino que también corren silenciosamente sobre ella debido a la tensión superficial. Algunos lagartos pequeños también pueden permanecer en la superficie del agua debido a este fenómeno, pero solo en un estado estacionario. Los investigadores colocaron cuidadosamente el gecko en el agua durante la prueba. Su cuerpo permaneció en la superficie, aunque la mayor parte estaba sumergido (no se preocupe, el gecko se colocó en el agua por un corto tiempo, luego se sacó de inmediato). Por lo tanto, es obvio que la tensión superficial del agua no es una fuente del 100% de la capacidad del gecko para correr sobre el agua.

Sin embargo, no descarte completamente este fenómeno. Para empezar, los investigadores señalan que la piel de los geckos es extremadamente hidrófoba (repele el agua), y esta propiedad puede reducir el arrastre (bueno, la física no estaba exenta de ella) debido a los mecanismos basados ​​en un alto grado de tensión superficial al nivel de contacto de este tipo de piel. con agua

Para probar esta teoría, se realizaron una serie de pruebas en agua y en una solución jabonosa (es decir, en agua con tensioactivos que reducen la tensión superficial en aproximadamente un 50%).


Movimiento de gecko en agua jabonosa (vista lateral).

Un basilisco en una solución jabonosa mostró los mismos resultados que en agua corriente. Esto era predecible, ya que este animal no usa tensión superficial en el arsenal de mecanismos para correr sobre el agua. Pero los geckos eran mucho más difíciles. Su velocidad disminuyó en aproximadamente un 58%


El efecto de la tensión superficial en la locomoción del gecko.

En este caso, la velocidad de los impactos por impulso no ha cambiado. El período de oscilación se hizo un poco más largo. Y el cuerpo del gecko estaba más inmerso en agua jabonosa que en agua. La altura de la cabeza sobre la solución de jabón fue menor en un 49%, en comparación con la altura sobre el agua limpia.

Hidrodinámica e hidrostática.

Se sabe que los animales en los que el número de Froude (Fr, el criterio para la similitud del movimiento de líquidos y gases) es 1.0, pueden moverse a través del agua debido al aquaplaning, generando una elevación hidrodinámica por movimientos corporales con un ángulo positivo de inclinación de lado a lado. Cuando el valor de Fr fluctúa en el rango de 0.6 ... 1.0, los animales permanecen en el agua debido a la hidrodinámica y la hidrostática (en este caso, flotabilidad).

Los científicos han notado una correlación positiva entre la altura de la cabeza que se eleva por encima del agua y la velocidad del geco. Además, el cuerpo mismo, o más bien su forma, encaja perfectamente en esta teoría. Los gecos comunes tienen un ángulo de inclinación (curva) impresionante del cuerpo: 26.4 ± 9.4. Además, su cuerpo está aplanado dorsoventralmente, y la relación de longitud a ancho es 3.7 ± 0.4. La superficie abdominal es plana. Tal fisiología no puede dejar de ayudar en un asunto tan complejo como la resistencia al agua.

Sin embargo, los investigadores aún no han estudiado estos aspectos hasta el final, por lo tanto, no quieren hacer declaraciones de alto perfil.


Movimiento de Gecko sobre el agua (vista superior).

Movimiento de gecko en agua jabonosa (vista superior).

Y, por supuesto, los geckos usan su flexibilidad mientras se mueven, como se puede ver en la animación y en el video de arriba. En agua pura y en agua jabonosa, los geckos conservan la misma amplitud y ondulación de los movimientos.

Para conocer más detalladamente el estudio, puede consultar el enlace (informe del grupo de investigación + materiales adicionales).

Epílogo

Este estudio puede parecer extraño, por decirlo suavemente. Los científicos se reunieron en el laboratorio y comenzaron a lanzar gecos en el agua (un sueño, no un trabajo). Sin embargo, tales estudios ayudan a comprender lo que anteriormente pasó desapercibido o inexplicable.

Los geckos no se clasificaron previamente como criaturas capaces de correr sobre el agua. Este estudio demostró que tienen un lugar legítimo en esta lista. Además de esta justicia zoológica, los investigadores también notan la importancia de sus observaciones en robótica. Una comprensión completa de cómo los animales se mueven alrededor del agua puede ayudar a crear robots que puedan repetir este truco. Y dado que los geckos usan todo a la vez en su arsenal, a diferencia de otros bailarines acuáticos, su importancia en este proceso es inmensamente mayor.

Además, no es sorprendente que un lagarto pequeño pero ágil pueda sorprender al mundo científico con sus habilidades inusuales y, a primera vista, inexplicables. En mi opinión, esto solo prueba una vez más lo poco que sabemos sobre el mundo y las criaturas que nos rodean.



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