Механизм «прилипания» геккона удивляет своей гениальностью
Приходилось ли вам когда-либо наблюдать за гекконом, бегающим по стенам и потолку? Уверяю вас, это захватывающее зрелище. Эти маленькие тропические ящерицы вызывают наше восхищение своим умением удерживаться практически на любой поверхности. Гекконы способны карабкаться по крутым склонам, взбираться по гладкой стене со скоростью 1 м за секунду и даже бегать вверх тормашками по потолку из полированного стекла (!).
При этом, находясь на стене, гекконы могут поддерживать вес тела всего одной лапкой. Альпинисты могут только позавидовать таким трюкам. Но как же гекконам это удается?
Фотография геккона на гладкой вертикальной поверхности. Фото: Kellar Autumn
Поиск разгадки
Экстраординарная способность гекконов оставалась загадкой со времен Аристотеля, который наблюдал за ними еще в 4 столетии до н.э. Секрет прилипания гекконов стал темой для многих научных исследований.
Эти ящерицы могут перемещаться таким образом благодаря растопыренным ступням, похожим на ладони. У гекконов на пальцах есть маленькие гребни, покрытые тонкими волосками (щетинками). Пальцы геккона прилипают практически к любому материалу (металл, древесина, стекло, гранит) при любых условиях (даже под водой или в вакууме), и при этом они никогда не загрязняются, не изнашиваются и не прилипают случайно к ненужным местам. Просто фантастика, не правда ли?
Объяснение этих способностей геккона оказалось настоящим вызовом для ученых, а поиск разгадки занял почти 100 лет. У гекконов нет желез, выделяющих секрецию, так что теория о клейких веществах отпала изначально.
Предлагались несколько объяснений:
Присасывание? Присоски работают благодаря тому, что давление воздуха на одной стороне не уравновешивается, если на другой стороне есть вакуум. Лапки геккона могут прилипать к поверхности в вакууме, где нет давления воздуха, поэтому присасывание не может быть объяснением.
Электростатическое притяжение? Оно возникает между электрически заряженными объектами, например, между пластмассовой расческой, потертой тканью и маленькими кусочками бумаги. Но когда ученые создали условия, при которых любой заряд исчезал, лапки геккона все равно прилипали.
Трение? Но кератин - белок, который вырабатывается в коже, - оказывается слишком "скользким". К тому же, трение не может объяснить передвижение по потолку.
Сцепление между шероховатыми поверхностями? Но гекконы могут прилипать даже к полированному стеклу.
В конечном итоге ученые открыли, что благодаря близкому контакту щетинок на лапках с поверхностью гекконы используют связи ближнего взаимодействия между молекулами, т.е. они прилипают посредством сил Ван-дер-Ваальса, названных так в честь голландского физика в конце 19 века.
Эта сила действует на очень маленьких расстояниях (между молекулами) и резко уменьшается при увеличении расстояния между поверхностями. Она начинает действовать только тогда, когда поверхности максимально близко приближаются одна к другой. Но чтобы такая слабая сила удерживала геккона на вертикальной стене, необходима огромная площадь близкого контакта между лапкой геккона и поверхностью.
Поразительный дизайн
Сложнейшее строение лапок геккона обеспечивает такую возможность. Используя электронный микроскоп, ученые изучали геккона Токи (Gekko gecko). Они обнаружили, что на его пальцах находятся очень тонкие волоски (щетинки), длиной всего 100 микрометров или 0,1 миллиметра (две толщины человеческого волоса). Они очень плотно размещены - до 14400 щетинок на 1 мм2 или около 1,5 миллиона на см2 (См. рис. 4б)
Однако, это еще не все. Каждая щетинка, в свою очередь, на конце расходится в 400-1000 ответвлений. (Рис 4в). Каждое ответвление заканчивается на конце треугольной лопаточкой (Рис 4г, 4д). Эти лопаточки невероятно крохотные и составляют в ширину всего 0,2 микрометра (2/10 000 миллиметра). Только задумайтесь над этими цифрами: каждая лапка геккона площадью контакта чуть больше 1 см2 может прикасаться к поверхности двумя миллиардами окончаний! Просто очевидное невероятное!
Рис. 4. Вид лапки геккона. Фото: Kellar Autumn
|
Б. Фотография щетинок геккона. Плотность размещения на пальцах достигает 14400 щетинок на 1 мм2 или около 1,5 миллиона на см2 . |
В. Фотография одной щетинки геккона. Ее длина составляет всего 100 микрометровили 0,1 миллиметра (две толщины человеческоговолоса). Каждая щетинка на конце разветвляется в 400-1000 ответвлений для увеличения площади близкого контакта с поверхностью. |
Г. Фотография ответвления на конце щетинки. Каждое ответвление заканчивается на конце треугольной лопаточкой. Эти лопаточки невообразимо крохотные и составляют в ширину всего 0,2 микрометра (2/10 000 миллиметра). |
Чтобы разместить такое же количество человеческих волос с плотностью средней шевелюры, потребовалась бы площадь целого футбольного поля. Обычная лапка геккона имела бы намного меньшую площадь близкого контакта, лишь в отдельных местах молекулы лапки очень близко приближались бы к поверхности. А особенная лапка геккона, благодаря плотному размещению щетинок и их разделению (на конце) до тысячи разветвлений, имеет в миллионы раз большую площадь близкого контакта, а значит и силу прилипания (силы Ван-дер-Ваальса). Именно дизайн (геометрия), а не химический состав поверхности, дает возможность геккону удерживаться даже на потолке.
Удивительные способности
При помощи специальных инструментов исследователи из нескольких американских университетов установили, что поверхность ступни геккона Токи площадью 1 см2 способна выработать силу сцепления в 10 Ньютон (что соответствует 1 кг веса).
Но оказалось, что отдельная щетинка имеет силу притяжения в 10 раз больше, чем ожидалось. Одна щетинка геккона достаточно крепка для удержания целого муравья. Теоретически, 6 миллионов щетинок геккона могут генерировать силу, достаточную для удержания навесу двух человек.
Фотография геккона на стекляном потолке.
Это говорит о том, что геккону достаточно использовать всего пару процентов своих щетинок для удержания на поверхности. Такой потенциал для него жизненно важен в природной среде обитания: на неровных загрязненных поверхностях, при тропических штормах и т.д.
Но как же при такой силе сцепления геккон отрывает свою лапку? Обладание подобной конечностью было бы бессмысленным, если бы геккон мог только прилипать - ему нужно также быстро отлипать. Поэтому, еще более удивительной и впечатляющей является способность геккона прилеплять и отлеплять лапку от поверхности целых 15 раз в секунду!
Оказывается, сила прилипания изменяется в зависимости от угла между щетинкой и поверхностью. Сила взаимодействия будет намного больше, если щетинки слегка прижать к поверхности, а затем протянуть, уменьшив угол (геккон это делает, когда ставит лапку).
Щетинка может открепляться под углом более 30°. Геккон управляет "прилипанием" и "отлипанием", используя необычайно сложное поведение, и все это происходит без существенных затрат энергии. Еще одно интересное свойство заключается в том, что лапки геккона самоочищаются, в отличие от клейкой ленты, на которую быстро налипает грязь, приводя ее в полную негодность. Исследователи до сих пор пытаются понять, как геккону это удается.
Технологии будущего
Дизайн лапок геккона вдохновляет ученых на разработку необычайно эффективного способа сухой адгезии. Доктор Андре Гейм из Университета Манчестера изготовил самоочищающуюся ленту с областью контакта со стеклом 0.5 см2, по образцу ноги геккона. Она выдерживала груз более 100 граммов. Однако, сотворённая людьми пленка оказалась неспособной к прикреплению и откреплению более нескольких раз. Но, если бы удалось достичь этого, то перчатки и ботинки, произведенные из этого материала, позволили бы спайдермену подниматься вверх по стенам любой поверхности.
Дмитрий Куровский
Гекконы справляются с мокрой поверхностью, пока не промочат ноги
Учёные установили, что Ван-дер-ваальсовые силы, действующие между микроскопическими щетинками на пальцах животных и опорной поверхностью, позволяют животному оставаться на месте и двигаться вперёд даже вверх ногами. Такая способность позволяет ящерицам с лёгкостью перемещаться по скользким тропическим деревьям даже в дождливую погоду.
Биологи из университета Акрона (University of Akron) решили, что они имеют недостаточно информации о механизмах приспосабливания гекконов к естественным условиям, когда лежащая на пути поверхность смочена водой.
"В ходе предыдущих исследований наши коллеги изучали, каким образом ящерицы закрепляются на сухой искусственной поверхности, — рассказывает исследователь Алисса Старк (Alyssa Stark). – Нам стало интересно, что происходит с гекконами в тропическом лесу после дождя. Вряд ли они пачками осыпаются с деревьев".
Исследование способности геккона закрепляться и передвигаться по влажной поверхности(фото University of Akron).
Сначала биологи проверили, насколько хорошо один из видов азиатских гекконов — токи (Gekko gecko) держится на стекле сухими лапками. Для этого вокруг таза ящерицы учёные закрепили своеобразный пояс, соединённый с оборудованием для съёма животного со стекла и измерения затраченного при этом усилия.
Исследователи выяснили, что, почувствовав твёрдую поверхность под ногами, геккон прочно закрепляется на ней. Для того чтобы снова поднять его в воздух, необходимо приложить усилие в 20 ньютонов, что эквивалентно весу двадцати таких же ящериц.
Во второй части исследования учёные решили выяснить, как меняется ситуация, если, к примеру, прошёл дождь. Для этого они распылили на стеклянную пластину воду и снова запустили ящерицу.
На этот раз у геккона появлялись проблемы с закреплением на скользкой поверхности: удерживающая сила менялась каждый раз, когда животное делало шаг. Капельки жидкости на поверхности стекла вмешивались в механизм закрепления. Геккон на протяжении минуты удерживался на влажном стекле, делал несколько шагов и только потом соскальзывал.
У исследователей пока нет объяснения механизма этого процесса.
На следующем этапе исследователи погрузили гекконов вместе со стеклянной пластиной в ванну с водой комнатной температуры, чтобы их лапки "промокли". После такого купания токи вообще не смогли закрепиться на гладкой мокрой поверхности.
"Нижняя часть лапок гекконов обладает поразительными водоотталкивающими способностями, — поясняет Старк. — Ящерицы легко справляются с каплей воды, попавшей под лапку, но не могут избавиться от воды, когда она находится под всей лапкой сразу. Вода нарушает Ван-дер-ваальсовое взаимодействие, и геккон полностью теряет контроль над ситуацией".
Ещё один эксперимент показал, что если лапки гекконов погрузить в воду на 90 минут, а потом поместить на сухую стеклянную поверхность, то ящерицы еле держатся на ногах, пока те не высохнут. Усилие, необходимое для отрыва токи от стекла в таком случае, было сопоставимо с его весом.
Это значит, что, передвигаясь по влажной поверхности на сухих лапках, гекконы всё время находятся на грани соскальзывания. Они выталкивают капельки воды и продолжают движение, однако если их ножки совсем промокли, то они становятся беспомощными, заключают исследователи.
Продолжение работ в этом направлении позволит учёным разобраться в тонкостях взаимоотношений гекконов с водой. И для начала исследователи планируют выяснить, сколько времени нужно животным для восстановления адгезивной способности лапок, а также какие приёмы они для этого используют.
Новые сведения, выведанные у природы, позволят усовершенствовать всевозможные адгезивные материалы для работы во влажной среде, в том числе средства для обработки ран, уверяют исследователи.
Результаты своего исследования учёные опубликовали в журнале Journal of Experimental Biology.
Источник: origins.org.ua
