Геконът е необикновено животно
Механизмът за "залепване" на гекона изненадва със своята гениалност
Гледали ли сте някога гекон да тича нагоре-надолу по стени и тавани? Уверявам ви, че това е спираща дъха гледка. Тези малки тропически гущери будят нашето възхищение от способността си да се задържат на почти всяка повърхност.Геконите могат да се катерят по стръмни склонове, да се катерят по гладки стени със скорост от 1 м в секунда и дори да тичат с главата надолу по полирани стъклени тавани (!).
В същото време, намирайки се на стената, геконите могат да поддържат тежестта на тялото само с една лапа.Катерачите могат само да завиждат на такива трикове. Но как го правят геконите?
Снимка на гекон върху гладка вертикална повърхност. Снимка: Kellar Autumn
Търсете улики
Необикновените способности на геконите остават загадка от времето на Аристотел, който ги наблюдава още през 4 век пр. н. е. Тайната на залепването на гекони се превърна в тема за много научни изследвания.
Тези гущери могат да се движат по този начин благодарение на разперените си крака, подобни на длани. Геконите имат малки ръбчета на пръстите си, покрити с фини косми (четина). Пръстите на гекона се залепват за почти всеки материал (метал, дърво, стъкло, гранит) при всякакви условия (дори под вода или във вакуум) и никога не се замърсяват, износват или случайно залепват на ненужни места.Просто фантастично, нали?
Обясняването на тези способности на гекона се оказа истинско предизвикателство за учените и търсенето на решение отне почти 100 години. Геконите нямат жлези, които отделят секрети, така че теорията за лепкавите вещества беше изоставена от самото начало.
Бяха предложени няколко обяснения:
Засмукване? Вендузите работятпоради факта, че налягането на въздуха от едната страна не се балансира, ако има вакуум от другата страна. Краката на гекона могат да се залепят за повърхности във вакуум, където няма въздушно налягане, така че засмукването не може да бъде обяснение.
Електростатично привличане? Възниква между електрически заредени предмети като пластмасов гребен, протрит плат и малки парчета хартия. Но когато учените създадоха условия, при които всякакъв заряд изчезна, краката на гекона все още останаха.
Триене? Но кератинът, протеин, произвеждан в кожата, е твърде хлъзгав. Освен това триенето не може да обясни движението по тавана.
Адхезия между грапави повърхности? Но геконите могат да се залепят дори за полирано стъкло.
В крайна сметка учените откриха, че поради близкия контакт на четините на краката с повърхността, геконите използват взаимодействащи връзки на къси разстояния между молекулите, т.е. те се залепват чрез силите на Ван дер Ваалс, наречени на холандския физик от края на 19 век.
Тази сила действа на много малки разстояния (между молекулите) и рязко намалява с увеличаване на разстоянието между повърхностите. Той започва да действа само когато повърхностите са възможно най-близо една до друга.Но за такава слаба сила, за да задържи гекон срещу вертикална стена, е необходима огромна площ от близък контакт между крака на гекона и повърхността.
Впечатляващ дизайн
Най-сложната структура на краката на гекона предоставя такава възможност. С помощта на електронен микроскоп учените изследваха гекона на Токи (Gekko gecko). Те открили, че пръстите му имат много фини косми (четина), дълги само 100 микрометра.или 0,1 милиметра (две дебелини на човешки косъм). Те са много гъсто разположени -до 14400 четинки на 1 mm2 или около 1,5 милиона на cm2 (Виж Фиг. 4b)
Ориз. 4. Изглед на крака на гекона. Снимка: Kellar Autumn
| Б. Снимка на четина на гекон. Плътността на поставяне на пръстите достига 14 400 четинки на 1 mm2, или около 1,5 милиона на cm2. | B. Снимка на една четина на гекон. Дължината му е само 100 микрометра или 0,1 милиметра (две дебелини на човешки косъм). Всяка четина в края се разклонява на 400-1000 клона, за да увеличи площта на близък контакт с повърхността. | D. Снимка на клон в края на четина. Всяко разклонение завършва накрая с триъгълна шпатула. Тези шпатули са невъобразимо малки, с ширина само 0,2 микрометра (2/10 000 милиметра). |
За да побере същото количество човешка коса с гъстотата на средна глава на косата, ще отнеме площта на цялото футболно игрище. Кракът на нормален гекон би имал много по-малка близка контактна площ, само на някои места молекулите на крака биха се приближили много до повърхността. А специалната лапа на гекона, поради плътното разположение на четините и тяхното разделяне (в края) на хиляда разклонения, има милион пъти по-голяма плътна контактна площ, а оттам и силата на залепване (силите на Ван дер Ваалс). Именно дизайнът (геометрията), а не химичният състав на повърхността, позволява на гекона да остане дори на тавана.
Удивителни способности
С помощта на специални инструменти изследователи от няколко американски университета установиха, че повърхността на крака на гекона Toki с площ от 1 cm 2 е в състояние да генерира сила на захващане от 10 нютона (съответстващи на 1 kgтегло).
Но се оказа, че една четина има сила на привличане 10 пъти по-голяма от очакваната. Една четина на гекон е достатъчно здрава, за да побере цяла мравка. На теория 6 милиона четина на гекона могат да генерират достатъчно сила, за да задържат сенника на двама души.
Снимка на гекон върху стъклен таван.
Това предполага, че геконът трябва да използва само няколко процента от четините си, за да се задържи на повърхността. Такъв потенциал е жизненоважен за него в естествената му среда: на неравни замърсени повърхности, по време на тропически бури и др.
Но как един гекон откъсва крака си с такава сила на хватката? Притежаването на такъв крайник би било безсмислено, ако геконът може само да се залепи - той също трябва бързо да се отлепи.Затова още по-невероятна и впечатляваща е способността на гекона да залепва и отлепва лапата си от повърхността до 15 пъти в секунда!
Оказва се, че силата на сцепление варира в зависимост от ъгъла между четината и повърхността. Силата на взаимодействие ще бъде много по-голяма, ако четините се притиснат леко към повърхността и след това се разтеглят, намалявайки ъгъла (геконът прави това, когато постави крака си).
Четката може да се отдели под ъгъл над 30°. Геконът управлява "залепването" и "отлепването", използвайки изключително сложно поведение, всичко това без значителен разход на енергия. Друго интересно свойство е, че краката на гекона се самопочистват, за разлика от тиксото, което бързо се замърсява, което го прави напълно неизползваем. Изследователите все още се опитват да разберат как геконът прави това.
Технологии на бъдещето
Дизайнът на краката на гекона вдъхновява учените да разработят изключително ефективен начин за сушенеадхезия. Д-р Андре Гейм от университета в Манчестър е направил самопочистваща се лента със стъклена контактна площ от 0,5 cm2, моделирана след крака на гекон. Тя издържа на натоварване над 100 грама. Създаденият от човека филм обаче се оказа неспособен да бъде прикрепен и отлепен повече от няколко пъти. Но ако това можеше да се постигне, тогава ръкавиците и ботушите, направени от този материал, биха позволили на Спайдърмен да се изкачи по стените на всяка повърхност.
Геконите се справят с мокри повърхности, докато не намокрят краката си.
Учените са открили, чесилите на Ван дер Ваалс, действащи между микроскопичните четинки на пръстите на животното и опорната повърхност, позволяват на животното да остане на място и да се движи напред дори с главата надолу. Тази способност позволява на гущерите лесно да се движат през хлъзгавите тропически дървета, дори при дъждовно време.
Биолозите от университета в Акрон решиха, че нямат достатъчно информация за механизмите на адаптиране на геконите към природните условия, когато повърхността, лежаща на пътя, е намокрена с вода.
"В предишни проучвания нашите колеги са проучвали как гущерите се прикрепят към сухи изкуствени повърхности", казва изследователят Алиса Старк. "Бяхме любопитни какво се случва с геконите в тропическите гори след дъжд. Малко вероятно е те да падат от дърветата на партиди."
Изследване на способността на гекона да се закотвя и да се движи по мокри повърхности (снимка от Университета на Акрон).
Първо, биолозите тестваха колко добре един от видовете азиатски гекони, токове (Gekko gecko), поддържа сухи лапи върху стъкло. За да направят това, около таза на гущера учените са фиксирали нещо като колан, свързан с оборудване заизваждане на животното от стъклото и измерване на изразходваното усилие.
Изследователите установили, че след като са почувствали твърда повърхност под краката си, геконът е здраво фиксиран върху нея. За да го вдигнете отново във въздуха, е необходимо да приложите сила от 20 нютона, което е еквивалентно на теглото на двадесет същите гущера.
Във втората част на изследването учените решиха да разберат как се променя ситуацията, ако например вали. За да направят това, те напръскаха вода върху стъклена чиния и пуснаха гущера отново.
Този път геконът имаше проблеми да се закрепи на хлъзгава повърхност: силата на задържане се променяше всеки път, когато животното направи крачка. Капчици течност върху стъклената повърхност пречат на фиксиращия механизъм. Геконът остана минута на мокрото стъкло, направи няколко крачки и едва тогава се изхлузи.
Изследователите все още нямат обяснение за механизма на този процес.
В следващата стъпка изследователите потапят геконите заедно със стъклена чиния във вана с вода със стайна температура, за да намокрят краката им. След такава баня теченията изобщо не можеха да се фиксират върху гладка мокра повърхност.
"Долната страна на краката на гекона е удивително водоотблъскваща", обяснява Старк. "Гущерите могат лесно да се справят с капка вода под крака, но не могат да се отърват от водата, когато е под цялото стъпало наведнъж. Водата нарушава взаимодействието на Ван дер Ваалс и геконът напълно губи контрол над ситуацията."
Друг експеримент показа, че ако лапите на геконите се потопят във вода за 90 минути и след това се поставят върху суха стъклена повърхност, гущерите едва могат да стоят на краката си, докато изсъхнат. Силата, необходима за отделяне на тока от стъклото в този случай, е сравнима стеглото му.
Това означава, че, движейки се по мокра повърхност на сухи лапи, геконите винаги са на ръба на подхлъзване. Те изтласкват капчици вода и продължават да се движат, но ако краката им са напълно мокри, тогава стават безпомощни, заключават изследователите.
Продължаването на работата в тази посока ще позволи на учените да разберат тънкостите на връзката между геконите и водата. И като начало изследователите планират да разберат колко време отнема на животните да възстановят залепващата способност на лапите, както и какви техники използват за това.
Новите прозрения, получени от природата, ще позволят разработването на всички видове лепилни материали за използване във влажна среда, включително превръзки за рани, казват изследователите.