Шейла Патек измеряет скорость самых быстрых животных
Биолог Шейла Патек рассказывает о своей работе — измерении скорости атак у раков-богомолов, одного из самых быстрых движений в животном мире, при помощи видеокамер, записывающих 20.000 кадров в секунду.
Если хотите научиться играть лобстера, у нас есть несколько. И это не шутка, они у нас правда с собой. Так что походите после и я покажу как играть как лобстер.
Несколько лет назад я начала работать с животным, которое называется рак-богомол, потому что они издают звуки. Это запись звука, издаваемого раком-богомолом, они водятся у берегов Калифорнии. И хотя это очень интересный звук, изучать его оказалось очень тяжело. И когда я пыталась понять, зачем и почему раки-богомолы, или ротоногие, издают звук, я начала думать об их конечностях. Рак-богомол называется раком-богомолом в честь богомолов, ноги которых тоже быстрые и тоже для кормления. И я начала думать, слушая эти звуки, что может быть было бы интересно понять, как эти животные нападают с такой скоротью. Сегодня я расскажу об этих исключительных атаках ротоногих, о работе, которую мы выполнили совместно с Уайеттом Корффом и Роем Кэдвеллом.
Итак, раки-богомолы бывают двух видов: «компьеметатели» и «сокрушители». Это рак-«копьеметатель», или ротоногий рак Он живет в песке, и ловит то, что проплывает у него над головой. Вот таким быстрым ударом. И если мы замедлим его немного, это тоже рак-богомол — тот же вид — записано это на 1.000 кадров в секунду, проигрывается на 15 кадрах в секунду. И видно, что это удивительное распрямление его рук, которые "взрываются" вверх, и ловят кусочек креветки, который я ему предложила. Другой тип раков-богомолов — ротоногие «сокрушители», они вскрывают раковины улиток. Он ловит улитку, поправляет ее, устанавливает и как следует наподдает ей.
(Смех)
Я проиграю еще раз. Он ее ставит на место, поправляет своим носом, и бьет. Еще несколько ударов, раковина разбивается и готов чудный ужин. И охотничий орган ротоногого может колоть острием на конце, или он может сокрушать пяткой. И сегодня я расскажу о сокрушающих ударах.
И первый приходящий на ум вопрос, с какой скоростью движется этот орган? Потому что на этом видео он движется чертовски быстро. И я немедленно столкнулась с проблемой. Все системы скоростной съемки на факультете биологии в Беркли снимали недостаточно быстро, чтобы запечатлеть это движение. Мы просто не могли его снять на видео. И я с этим долго не могла справиться. Потом на факультет биологии пришла съемочная группа BBC в поисках историй о новых технологиях в биологии. И мы заключили сделку. Я сказала, «Если вы достанете скоростную видеокамеру, которая сможет запечатлеть эти движения, вы можете снимать нас, пока мы собираем наши данные». И хотите верьте, хотите нет, они согласились. И мы получили эту чудесную видеокамеру. Это совершенно новая технология — она появилась примерно год назад — и она позволяет снимать с очень высокой скоростью при низкой освещенности. А низкая освещенность очень важна при съемках животных, потому что если она высокая, вы их просто изжарите.
Это рак богомол. Это сверху глаза, а это охотничьи ноги, а это пятка. И эта штука размахнется и ударит по улитке. Улитка прикручена проволокой к палочке, чтобы было проще поймать ее в кадр. И — да.
(Смех)
Надеюсь, в зале нет защитников прав улиток.
(Смех)
Это видео было снято на скорости 5.000 кадров в секунду, и я его проигрываю на скорости 15. Так что оно замедлено в 333 раза. И как вы можете заметить, все происходит всё равно чертовски быстро, с замедлением в 333 раза. Это очень мощное движение. Весь орган расправляется. Тело отбрасывает назад — удивительное движение. И вот что мы сделали, мы посмотрели на такие записи и измерили скорость, с которой двигался орган, чтобы ответить на наш исходный вопрос. И это было первый сюрприз. Мы посчитали, что орган движется с максимальной скоростью от 10 метров в секунду до 23 метров в секунду. Для тех, кто предпочитает километры в час, это больше 72 километров в час в воде. И это и правда чертовски быстро. То есть, так быстро, что мы добавили новую точку на шкалу сверхбыстрых движений животных. И охотничий бросок раков-богомолов официально самый быстрый среди всех животных. И это наша первая находка.
(Аплодисменты)
И это было очень интересно и неожиданно. И вы можете спросить, как они это делают? И на это на самом деле ответил в 1960-ых знаменитый биолог Малкольм Берроуз. Он показал, что раки-богомолы используют так называемый механизм защелки, или ступора. И он по большому счету состоит из большого мускула, который сокращается очень долго, и защелки, которая потом не дает ноге расправиться. Мышца сокращается, и ничего не происходит. И после того как мышца полностью сокращается, все сохраняется — защелка открывается, и происходит движение. И это так называется система усиления мощности. Мышца сокращается очень долго, а орган потом распрямляется очень быстро. И я думала, что это конец, и всё объяснено. Вот так рак-богомол делает свои очень быстрые выпады.
Но потом я отправилась в музей естественной истории при Смитсоновском институте. И если у вас когда-нибудь будет возможность, в запасниках музея естественной истории хранится одна их лучших в мире коллекций раков-богомолов. И что —
(Смех)
для меня всё это очень серьезно.
(Смех)
И я увидела, что у каждого рака-богомола на его охотничьем органе, и у сокрушителей, и у копьеметателей, есть чудесная структура в форме седла, прямо на верхней поверхности органа. Вот тут вот ее видно. Она выглядит в точности как седло для верховой езды. Очень красивая структура. И она окружена мембранами. И эти мембранные части. подсказали мне, что может быть это какая-то динамически изгибающаяся структура. И некоторое время мне пришлось почесать голову над этим. Затем мы выполнили ряд вычислений, и нам удалось показать, что этим ракам-богомолам требуется пружина. Нужен какой-то подпружиненный механизм, чтобы сгенерировать количество силы, которое мы наблюдаем, и скорость, которую мы наблюдаем, и производимую всей системой работу. И мы подумали, ОК, это наверное и есть пружина — седло вполне может быть пружиной. И мы вернулись к нашим скоростным видео, и нам удалось пронаблюдать, как это седло сжимается и расправляется. И я это сделаю еще раз. И если вы посмотрите на видео — его немножко трудно видеть — оно обведено желтым. Седло обведено желтым. Вы можете увидеть, как оно расправляется во время удара, и перерасправляется. В общем, у нас были отличные доказательства того, что седловидная структура сжимается и расправляется, и работает, действительно, как пружина.
Эта седловидная структура называется также гиперболической параболоидой, или антикластической поверхностью. Она известна инженерам и архитекторам, потому что это очень прочная на сжатие поверхность. Она изгибается в двух направлениях. одна кривая изогнута вверх и поперечно изогнутой вниз, так что любое возмущение распределяет силы по всей поверхности такой формы. И она хорошо известна инженерам, не так хорошо известна биологам. Она также известна многим людям, занимающимся ювелирным делом, потому что требуется очень мало материала, чтобы создать такую поверхность, но она будет очень прочной. И если вам надо создать тонкую конструкцию из золота, ей можно придать форму, которая сделает ее очень прочной.
Она также известна архитекторам. Один из известнейших архитекторов, Эдуардо Каталано, был популяризатором этой структуры. И здесь вы видите построенную им седлвидную крышу, длина которой почти 27 метров. Она меньше 7 см толщиной, и опирается на две точки. И одна из причин, по которой он делал такие крыши в том, что он был восхищен тем, что можно можно построить такую крепкую конструкцию используя так мало материалов и поставив ее на так мало опор. И все те же самые принципы применимы к седловидным пружинам раков-богомолов. В биологических системах важно, чтобы не требовалось очень много материалов на постройку структуры. Так что, очень интересная параллель между биологией и инженерным делом. И как оказалось, седла ротоногих оказались первыми описанными биологическими гиперболическими параболоидными пружинами. Длинновато, но довольно интересно.
И следующий, последний наш вопрос был, сколько силы производит рак-богомол, если они способны разбивать раковины улиток? И я прикрутила к палочке так называемый датчик нагрузки. Датчик нагрузки измеряет силу, это на самом деле пьезоэлектрический датчик, с маленьким кристаллом внутри. И когда кристалл сжимается, меняются его электрические свойства пропорционально силе, которая к нему приложена. И эти животные замечательно агрессивны, и все время очень голодны. Так что мне только потребовалось намазать немного раскрошенной креветки на поверхность датчика, и они по нему принимались стучать. И это не замедленная съемка рака, пытающегося раздробить этот датчик. И нам удалось измерить эту силу. И опять, мы были удивлены.
Я купила датчик мощности на 50 килограмм, решив что никакое животное не может развить больше 50 килограмм при таком размере. И что бы вы думали, они немедленно ее перегрузили. Так что это старые данные, для которых пришлось выбрать самых маленьких раков в лаборатории, и нам удалось измерять силы больше 50 кг производимые животными вот такого примерно размера. И на прошлой неделе я заставила работать датчики на 130 кг, и нам удалось зарегистрировать, как эти раки генерируют до 90 кг-силы. И опять, я думаю это мировой рекорд. Мне придется еще немного почитать литературу, но я думаю, что это будет наибольшее количество силы, производимое животным в приведении на массу тела. В общем, огромная сила. И опять, мы возвращаемся к роли этой пружины в хранении и высвобождении такого количества энергии в этой системе. Но это еще не конец всей истории.
Теперь — все это звучит не очень сложно, но это очень много работы на самом деле. Я получила все измерения силы, и потом я посмотрела на выход силы в системе. И тут все очень просто — время по оси X, сила по оси Y. И вы видите тут два пика. И эти два пика меня озадачили. Первый пик, понятно, это удар органа по датчику нагрузки. Но потом появляется второй пик, полмиллисекунды спустя, и я понять не могла что это такое. Можно ожидать появления второго пика по разным причинам, но не полмиллисекунды спустя. Опять, есть вернуться к этим скоростным видео, можно догадаться что может происходить. Вот тот же ракурс, который мы видели раньше. Это охотничий орган — вот пятка, и она размахнется и ударит по датчику. И теперь смотрите внимательно вот сюда, на поверхность датчика нагрузки, пока орган по нему ударяет. И я надеюсь вы успели разглядеть вспышку света.
Аудитория: Вау.
Шейла Патек: И если мы возьмем вот этот кадр, мы сможем увидеть на конце этой желтой стрелки пузырек пара. И это так называемая кавитация. Кавитация — чрезвычайно мощное явление жидкостной динамики которое возникает, когда у вас есть области воды, движущиеся с очень сильно отличающимися скоростями. И когда это происходит, это приводит к появлению областей очень низкого давления, в которых вода буквально испаряется. И когда такой пузырек пара схлопывается, он испускает звук, свет и тепло, и это чрезвычайно разрушительный процесс. И вот мы наблюдаем его в ротоногих. И опять, инженеры очень хорошо знакомы с этим явлением, потому что он разрушает винты на судах. Люди годами пытались справиться с этим и разработать винт, который бы вращался очень быстро, не вызывая кавитации, потому что она буквально разъедает металл и проделывает в нем дыры, как на этих картинках.
Это очень мощная сила в жидких системах, и для наглядности я покажу вам как рак-богомол нападает на улитку. Это снято на скорости 20.000 кадров в секунду, и я хочу поблагодарить за это оператора BBC, Тима Грина, снявшего эту сцену, потому что сама бы я этого за миллион лет не смогла бы сделать. Одно из преимуществ работы с профессиональным оператором. Вы видите как она приближается, и невероятная вспышка света, и вся эта кавитация, распространяющаяся по поверхности раковины. В общем, протрясающая картина, чрезвычайно замедленная, до чрезвычайно низкой скорости. И опять, немного отличающийся угол, и пузырь образуется и схлопывается между двумя поверхностями. И вы можете, на самом деле, увидеть как кавитация распространяется вдоль ноги рака.
И вот ответ на загадку двух пиков: я думаю, что первый пик это столкновение ноги с датчиком, а второй удар — это схлопывание кавитационного пузыря. И эти животные вполне могут использовать не только силу и энергию, запасенную в этой специальной пружине, но и законы жидкостной динамики. И они возможно используют жидкостную динамику как вторую силу, чтобы разбить улитку. Так что, удивительный «двойной удар», так сказать, от этих животных.
Есть вопрос, который мне часто задают после этого рассказа — я решила ответить на него сразу — что же случается с животным? Потому что очевидно, что если оно разбивает раковину, бедный орган тоже должен разрушаться. И так и происходит. Это ударная часть пятки на обоих картинках, и она снашивается. На самом деле, я видела как они снашивают свои пятки до самого мяса. Но быть членистоногим очень удобно, потому что тебе приходится регулярно линять. И примерно каждые три месяца эти животные линяют, и выращивают новый орган, и никаких проблем. Очень удобное решение данной конкретной проблемы.
И я закончу на немного странной ноте.
(Смех)
Может это для вас всё не очень серьезно звучит, не знаю.
(Смех)
Эти седла — седловидные пружины — были известны биологам уже довольно давно, но не как пружины, а как визуальный сигнал. И у многих видов ротоногих есть ярко раскрашенное цветное пятно в самом центре седла. И очень интересно было бы обнаружить эволюционное происхождение визуального сигнала на органе, который во всех видах является пружиной. И на мой взгляд, одно из возможных объяснений связано с явлением линьки.
Эти животные регулярно линяют, и во время линьки они не могут охотиться — их тела становятся очень мягкими. И они буквально неспособны бить, или они просто сломаются. Это очень серьезно. И они вот что делают — перед тем как они теряют возможность бить, они становятся совершенно невыносимы и колотят по всему что видят, неважно что или кто это. И как только они теряют эту возможность и больше не могут ничего ударить, они начинают угрожать. Размахивать своими ногами. И это один из классических примеров блефа у животных. Это достоверно известный факт, что они действительно блефуют. Они не могут ударить, но делают вид, что могут. И мне очень интересно, могут ли эти цветные пятна в центре седла передавать какую-то информацию об их способности бить, или силе, с которой они могут ударить, и что-нибудь о том, на какой стадии линьки они находятся. В общем, интересно и удивительно найти визуальный сигнал в самом центре их пружины.
В заключении, я хочу поблагодарить своих коллег, Уайетта Корффа и Роя Кэдвелла, и Миллеровский институт фундаментальных научных исследований, который выдал мне трехгодичный грант на то, чтобы заниматься только наукой, и за это я им очень благодарна. Спасибо за внимание.
