Run, Gecko, run: un mécanisme de mouvement de l'eau hybride gecko

Pourquoi ne prenons-nous pas une pause de la physique quantique, de la science des matériaux et de la chimie en cette belle journée de vendredi? Que dites-vous? Après tout, le monde de la recherche scientifique, de la recherche et de la découverte ne se limite pas à une seule direction. Physique, chimie, biologie, astronomie, etc. - Chaque jour, nous apprenons quelque chose de nouveau dans ces domaines, et il serait erroné de limiter notre attention à vous uniquement, disons, par la physique. Par conséquent, aujourd'hui, il y aura un peu de biologie. En étudiant diverses publications scientifiques, à la fois dans le sujet et dans la direction, je suis tombé sur une curieuse découverte. Et comme le personnage principal de cette découverte est une créature que j'ai toujours aimé, je ne pouvais pas passer. Ainsi, la découverte dit - les geckos ordinaires peuvent courir sur l'eau. Pas très impressionnant? Ne vous précipitez pas vers des conclusions, car ces petits lézards agiles utilisent plusieurs techniques à la fois pour effectuer de tels mouvements, contrairement à d'autres animaux. Si vous vous demandez encore comment ils le font, nous ne serons pas en retard. Allons-y.

Protagoniste

Les geckos ne sont pas une espèce de créatures, mais une famille entière de plus de 1100 espèces, chacune ayant ses propres caractéristiques individuelles, de la taille et de la couleur à l'habitat et au régime alimentaire. L'apparition des geckos peut être très inhabituelle, mais cela est dû à l'habitat et aux habitudes des espèces.


Gecko à queue de feuille

Par exemple, ce bébé, le gecko à queue de feuille, peut facilement se cacher parmi le feuillage sec. Certes, son apparence a incité les découvreurs à lui donner un nom pas si mignon - gecko à queue de feuille satanique (gecko à queue de feuille satanique). Dans ma tête, d'après son apparence, il n'y a qu'un seul mot - Drakaris. :)

Tous ces frères marbrés (ou, plus exactement, écailleux) ont des caractéristiques communes, au moins chez de nombreuses espèces. Le plus notable est leur capacité à représenter Spider-Man, ou plutôt à s'accrocher à presque toutes les surfaces et à se déplacer non seulement verticalement le long des murs, mais aussi au plafond. Le plus intéressant est le principe selon lequel ils sont capables de le faire - beaucoup de poils microscopiques couvrent les membres du gecko. Ces poils s'accrochent à la surface en raison de la force de Van der Waals. Par le même principe, le héros de bande dessinée susmentionné s'accroche aux surfaces.


À gauche, une image du film Spider-Man (2002) et à droite, une macro photo de l'oreiller sur le pied du gecko.

Aussi, il ne faut pas oublier les yeux incroyables des geckos. Les espèces, principalement actives la nuit, ont une photosensibilité accrue. En d'autres termes, leurs yeux sont capables de capter même une légère quantité de lumière, ce qui leur permet même de reconnaître les couleurs dans l'obscurité. Les geckos de super-vision ont été étudiés à plusieurs reprises. Par exemple, dans cette étude, les scientifiques décrivent les différentes propriétés oculaires de deux espèces de geckos: Phelsuma madagascariensis grandis de jour (gecko géant de Madagascar de jour) et Tarentola chazaliae de nuit (gecko à tête de casque).


Apparence de l'œil de Gekko smithii (grand gecko flatteur ou gecko Smith).

Mais aujourd'hui, nous nous sommes réunis non pas pour étudier les incroyables capacités visuelles des geckos, mais leurs compétences acrobatiques tout aussi incroyables. Par conséquent, nous procédons directement à l'étude elle-même.

L'essence de l'étude

Dans une forêt tropicale de Singapour, une vidéo à grande vitesse a été réalisée sur la façon dont un petit gecko surmonte un obstacle d'eau pour se rendre à un arbre.



De plus, la vitesse de son mouvement était presque la même que lors d'un déplacement sur une surface solide. Cette vidéo a posé la question aux scientifiques - comment les geckos font-ils cela? Des études en laboratoire ont été menées, qui ont montré que les geckos utilisent plusieurs techniques à la fois pour se déplacer à la surface de l'eau, ce qui les rend tout à fait uniques dans le règne animal.


Strider de l'eau

Les chercheurs notent que l'évolution a donné à différents animaux qui peuvent se déplacer sur l'eau différentes manières d'y parvenir. Ainsi, certains petits insectes ont une structure non standard des membres, ce qui leur permet de rester sur l'eau en raison de la force de tension superficielle. Cependant, cette méthode n'est pas universelle, car d'autres animaux plus gros ont évolué différemment. Par exemple, un basilic portant un casque peut littéralement courir dans l'eau. Les mouvements rapides des pattes arrière lui permettent d'accélérer à 12 km / h et de parcourir ainsi environ 400 mètres.


Démonstration de courir sur l'eau réalisée par le basilic portant un casque, qui n'est pas en vain appelé le lézard Jésus-Christ.

Les scientifiques partagent deux méthodes principales pour déplacer les animaux sur l'eau: le mouvement dû à la tension superficielle et le mouvement dû à certains mouvements des membres.

Les petites créatures ont un nombre de Bond * <1, donc, pour assurer la rétention à la surface de l'eau, leur nombre de Weber * doit également être <1.

Le nombre de liaisons (Bo) * est le rapport de la gravité à la tension superficielle.

Nombre de Weber (We) * - rapport de l'inertie du fluide à la tension de surface.

Un graphique de la relation entre le nombre de Bond et le nombre de Weber, ainsi que l'emplacement des différents organismes vivants sur l'échelle.

Chez les grands animaux, le nombre de Bond et le nombre de Weber sont naturellement grands et ne peuvent donc pas utiliser la première méthode de déplacement à la surface de l'eau. Par conséquent, ils devraient agir dans l'autre sens, c'est-à-dire utiliser la force à la surface de l'eau (tongs, coups, membres oscillants, etc.).

Les geckos sont uniques en ce sens qu'ils ont des nombres Bond et Weber (Bo = 8,7 ± 0,5, We = 47,4 ± 31,7) situés quelque part entre les deux catégories principales selon la méthode de déplacement, marqués en vert et bleu sur le graphique ci-dessus. Ainsi, les scientifiques ont avancé la théorie selon laquelle les geckos peuvent utiliser à la fois la force de la tension superficielle et le mouvement des membres en même temps pour se déplacer dans l'eau. Et toute théorie nécessite une preuve (sauf s'il s'agit d'un axiome, bien sûr).

Cinématique "Gecko"

Le test a impliqué 8 personnes. Un total de «courses aquatiques» a été organisé 63.

Les scientifiques ont noté que, contrairement au basilic portant un casque, le corps du gecko n'est pas complètement au-dessus de l'eau. Cependant, le gecko effectue des mouvements avec ses membres de telle manière que des cavités d'air se forment entre eux et la surface de l'eau, tout comme le basilic. La position du corps est la suivante: la moitié avant au-dessus de l'eau (hauteur moyenne de la tête au-dessus de l'eau 13,4 ± 2,2 mm), la moitié arrière est en contact avec l'eau, la queue est immergée dans l'eau et toujours parallèle à la surface.


Représentation schématique de la position du corps du gecko tout en se déplaçant sur une surface d'eau.

La locomotion du gecko sur l’eau est très similaire à celle qu’elle démontre lors de la course sur terre, lorsque le membre avant se déplace en phase avec l’arrière opposé (avant gauche + arrière droit, etc.). Cette observation est également inhabituelle, car pendant la nage rapide, les reptiles ne sont pas tamisés par les membres.

Malgré l'immersion partielle du corps sous l'eau, le gecko peut se déplacer dans l'eau à une vitesse de 60,7 ± 5,4 cm / s, ce qui correspond approximativement à 10,5 longueurs du corps du gecko par seconde. Cet indicateur ne change pratiquement pas lorsque vous vous déplacez sur terre. Et la vitesse maximale de l'eau enregistrée lors des tests était de 97,5 cm / s (3,51 km / h).


Mouvement gecko sur l'eau (vue latérale).

Lorsque ces vitesses sont atteintes, les geckos peuvent élever environ 72% de leur corps au-dessus de la surface de l'eau, ce qui contribue à réduire la résistance aux vagues.

Les scientifiques notent également qu'un tel mouvement de geckos sur l'eau ne peut pas être décrit comme une baignade, ce qui est confirmé par des observations.

Quant aux mouvements des membres, il existe en fait une similitude entre le basilic et le gecko, bien que leurs corps soient localisés de différentes manières. Les deux "coureurs d'eau" frappent leurs pattes sur l'eau, créant une impulsion qui vous permet de continuer à bouger (au-dessus de l'image B). L'élément le plus important de ce mouvement est les cavités d'air, qui devraient se former au moment de l'impact sur la surface de l'eau.

La différence la plus évidente, comme mentionné précédemment, entre le gecko et le basilic est la position du corps. Lorsqu'ils traversent l'eau, les basilics se redressent verticalement, en utilisant uniquement leurs membres postérieurs pour créer des impulsions, et leur corps, respectivement, est complètement au-dessus de l'eau. Les geckos ne peuvent pas le faire à cause de leurs membres courts et de leur incapacité à changer la position du corps de l'horizontale à la verticale.

Que faire dans ce cas? Bien sûr, utilisez les 4 membres. Ce que fait le gecko, la vitesse des frappes d'eau de chacun d'eux atteint 76,2 ± 33,1 cm / s pour les pattes avant et 91,5 ± 29,4 cm / s pour les pattes arrière. Comme nous pouvons le voir, la vitesse des membres postérieurs est beaucoup plus élevée que celle du front, en raison de la position presque horizontale du corps du gecko.

Il convient également de noter la différence de cavités d'air entre les geckos et les basilics lors des frappes d'eau. Chez les geckos, les cavités sont plus oblongues et s'étendent caudalement (c'est-à-dire vers la queue). Cela conduit les scientifiques à l'hypothèse que cette forme aide davantage à créer une sorte de traction qu'à lever le corps au-dessus de l'eau (comme un basilic).

Ainsi, il devient clair que les geckos ne peuvent pas entièrement compter sur les mouvements d'impact des membres, comme les basilics, pour surmonter le chemin le long de la surface de l'eau. Par conséquent, ce mécanisme de mouvement est utilisé par eux en conjonction avec d'autres, et plus précisément avec la tension de surface.

Tension superficielle

Les marcheurs aquatiques peuvent non seulement «se tenir debout» sur l'eau, mais aussi courir tranquillement dessus en raison de la tension superficielle. Certains petits lézards peuvent également rester à la surface de l'eau en raison de ce phénomène, mais uniquement à l'état stationnaire. Les chercheurs ont soigneusement placé le gecko dans l'eau pendant le test. Son corps est resté à la surface, bien que la majeure partie ait été immergée (ne vous inquiétez pas, le gecko a été placé dans l'eau pendant un court moment, puis il a été immédiatement retiré). Par conséquent, il est évident que la tension superficielle de l'eau n'est pas une source à 100% de la capacité du gecko à fonctionner sur l'eau.

Cependant, ne jetez pas complètement ce phénomène. Pour commencer, les chercheurs notent que la peau des geckos est extrêmement hydrophobe (elle repousse l'eau), et cette propriété peut réduire la traînée (enfin, la physique n'était pas sans) en raison de mécanismes basés sur un haut degré de tension superficielle au niveau du contact de ce type de peau avec de l'eau.

Pour tester cette théorie, une série de tests a été réalisée dans l'eau et dans une solution savonneuse (c'est-à-dire dans de l'eau avec des tensioactifs qui réduisent la tension superficielle d'environ 50%).


Mouvement gecko dans l'eau savonneuse (vue latérale).

Un basilic dans une solution savonneuse a montré les mêmes résultats que dans l'eau ordinaire. C'était prévisible, car cet animal n'utilise pas de tension superficielle dans l'arsenal de mécanismes pour courir sur l'eau. Mais les geckos étaient beaucoup plus difficiles. Leur vitesse a diminué d'environ 58%


L'effet de la tension superficielle sur la locomotion du gecko.

Dans ce cas, la vitesse des impacts impulsionnels n'a pas changé. La période de swing est devenue un peu plus longue. Et le corps du gecko était plus immergé dans l'eau savonneuse que dans l'eau. La hauteur de la tête au-dessus de la solution de savon était inférieure de 49% par rapport à la hauteur au-dessus de l'eau propre.

Hydrodynamique et hydrostatique

Il est connu que les animaux chez lesquels le nombre de Froude (Fr, le critère de similitude du mouvement des liquides et des gaz) est de 1,0, peuvent se déplacer dans l'eau en raison de l'aquaplanage, générant une portance hydrodynamique par des mouvements du corps avec un angle d'inclinaison positif d'un côté à l'autre. Lorsque la valeur de Fr fluctue dans la plage de 0,6 à 1,0, les animaux restent sur l'eau à la fois en raison de l'hydrodynamique et de l'hydrostatique (dans ce cas, la flottabilité).

Les scientifiques ont remarqué une corrélation positive entre la hauteur de la tête s'élevant au-dessus de l'eau et la vitesse du gecko. Aussi, le corps lui-même, ou plutôt sa forme, s'intègre parfaitement dans cette théorie. Les geckos communs ont un angle d'inclinaison (virage) impressionnant du corps - 26,4 ± 9,4. De plus, leur corps est aplati dorsoventralement et le rapport longueur / largeur est de 3,7 ± 0,4. La surface abdominale est plate. Une telle physiologie ne peut que contribuer à une matière aussi complexe que la résistance à l'eau.

Cependant, les chercheurs n'ont pas encore étudié ces aspects jusqu'à la fin, ils ne veulent donc pas faire de déclarations de grande envergure.


Mouvement gecko sur l'eau (vue de dessus).

Mouvement gecko dans l'eau savonneuse (vue de dessus).

Et, bien sûr, les geckos utilisent leur flexibilité en se déplaçant, comme on peut le voir dans l'animation et dans la vidéo ci-dessus. Dans l'eau pure et dans l'eau savonneuse, les geckos conservent la même amplitude et la même ondulation des mouvements.

Pour une connaissance plus détaillée de l'étude, vous pouvez consulter le lien (rapport du groupe de recherche + matériel complémentaire).

Épilogue

Cette étude peut sembler étrange, pour le moins. Les scientifiques se sont réunis dans le laboratoire et ont commencé à lancer des geckos sur l'eau (un rêve, pas un travail). Cependant, ces études aident à comprendre ce qui était auparavant passé inaperçu ou inexplicable.

Les geckos n'étaient pas auparavant classés comme des créatures capables de courir sur l'eau. Cette étude a prouvé qu'ils ont une place légitime dans cette liste. En plus de cette justice zoologique, les chercheurs notent également l'importance de leurs observations en robotique. Une compréhension complète de la façon dont les animaux se déplacent dans l'eau peut aider à créer des robots capables de répéter cette astuce. Et étant donné que les geckos utilisent tout à la fois dans leur arsenal, contrairement aux autres danseurs sur l'eau, leur importance dans ce processus est infiniment plus grande.

De plus, n'est-il pas surprenant qu'un petit lézard agile puisse surprendre le monde scientifique avec ses compétences inhabituelles et, à première vue, inexplicables. À mon avis, cela ne fait que prouver une fois de plus le peu que nous savons sur le monde et les créatures qui nous entourent.



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