Ящерица которая может передвигаться по потолку

Геккон: ящерица, способная бегать по потолку

Механизм «прилипания» геккона без использования клейких веществ 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?

Фото: геккон на гладкой вертикальной поверхности © Kellar Autumn, http://www.lclark.edu/

Читайте также: Ящерица фото

Загадка геккона

Экстраординарная способность гекконов оставалась загадкой со времен Аристотеля, который наблюдал за ними еще в IV столетии до н.э. Секрет прилипания гекконов стал темой для многих научных исследований. 1

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. 1 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.

Предлагалось несколько объяснений:

Присасывание? Присоски работают за счет того, 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, — слишком «скользкий». К тому же, трение не может объяснить передвижения по потолку.

Сцепление между шероховатыми поверхностями? Но гекконы могут прилипать даже к полированному стеклу. 2

В конечном итоге, ученые установили, 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 конца XIX века. 1

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 друг к другу. Но чтобы такая слабая сила удерживала геккона на вертикальной стене, необходима огромная площадь близкого контакта между лапкой геккона и поверхностью.

Поразительный дизайн геккона

Такую возможность обеспечивает сложнейшее строение лапок геккона. Используя электронный микроскоп, ученые изучали геккона Токи (Gekko gecko). 2 Они обнаружили на его пальцах очень тонкие волоски (щетинки) длиной всего 100 микрометров, или 0,1 миллиметра (две толщины человеческого волоса). Они очень плотно размещены 3 — до 14400 щетинок на 1 мм 2 , или около 1,5 миллиона на см 2 (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). 1 Только задумайтесь над этими цифрами: каждая лапка геккона площадью контакта чуть больше 1 см 2 может прикасаться к поверхности двумя миллиардами окончаний! Просто очевидное невероятное!

Фотография лапки геккона. © Kellar Autumn, http://www.lclark.edu/

Фотография щетинок геккона. Плотность размещения на пальцах достигает 14400 щетинок на 1 мм 2 или около 1,5 миллиона на см 2 .

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.

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 имела бы намного меньшую площадь близкого контакта, и 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, позволяет геккону удерживаться даже на потолке.

Удивительные способности

Эта удивительная структура находится вне пределов человеческих технологий и опровергает эволюционный сценарий. Все здесь указывает на Разумный Замысел.

При помощи специальных инструментов исследователи из нескольких американских университетов установили, что поверхность ступни геккона Токи площадью 1 см 2 способна вырабатывать силу сцепления в 10 Ньютон (что соответствует 1 кг веса). 2

Но оказалось, что одна щетинка имеет силу притяжения в 10 раз больше, чем ожидалось, и достаточно крепка для удержания целого муравья. Теоретически, 6 миллионов щетинок геккона могут генерировать силу, достаточную для удержания навесу двух человек. 1

Фотография геккона на стекляном потолке.

Это говорит о том, что геккону достаточно использовать всего пару процентов своих щетинок для удержания на поверхности. Такой потенциал жизненно важен ему в природной среде обитания: на неровных загрязненных поверхностях, во время тропических штормов 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). 2

Щетинка может открепляться под углом более 30°. Геккон управляет «прилипанием» и «отлипанием», используя необычайно сложное поведение, которое, однако, происходит без существенных затрат энергии. 3 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. 4

Технологии будущего

Откуда у геккона нанотехнологии, использующие межмолекулярные связи?

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 см 2 , по образцу лапки геккона. 4 Она выдерживала груз более 100 граммов. Однако сотворённая людьми клейкая лента оказалась неспособной к многократному прикреплению и откреплению. Но если бы удалось достичь этого, то перчатки и ботинки произведенные из такого материала, позволили бы спайдермену карабкаться по любой поверхности.

Геккон отличное свидетельство сотворения

Откуда у геккона нанотехнологии, использующие межмолекулярные связи? Откуда взялся механизм, основанный на глубоком знании физики и геометрии? Эволюция (случайные мутации и естественный отбор) не может создавать такие сложные структуры. Это факт. К тому же, этот гениальный дизайн нельзя построить пошаговыми изменениями: вплоть до последнего «шага» все промежуточные формы будут недееспособными.

Например, какая польза от наполовину сформированных щетинок или лопаточек? Здесь очевидна высокая взаимосвязанность. Священное Писание говорит нам: «Ибо, что можно знать о Боге, явно для них, потому что Бог явил им. Ибо невидимое Его, вечная сила Его и Божество, от создания мира через рассматривание творений видимы, так что они безответны» (Римлянам 1:19-22). Ученые утверждают, что создание такой структуры находится вне возможностей человеческих технологий. 4 Это свидетельствует о Создателе, который вложил эту сложную систему передвижения в ДНК геккона.

Ссылки и примечания

1. Отэмн K. Как прилипают пальцы геккона // American Scientist. – 2006; 94:124–132. Вернуться к тексту.
2. Сарфати Д. Великолепный клей геккона // Creation ex nihilo. – 2000; 23 (1):54–55. Вернуться к тексту.
3. Отэмн K., Пиатти A. Механизмы адгезии у гекконов // Int. Comp. Bio. – 2002;42:1081–1090. Вернуться к тексту.
4. Сарфати Д. Дизайн лапки геккона: сможет ли он привести к настоящему «спайдермену»? // Creation. – 2003; 26(1):22–23. Вернуться к тексту.

Источник

Физика в мире животных: лапа геккона

Фото: Wikimedia

Гекконы — обитатели тропических и субтропических областей Старого и Нового Света. Эти ящерицы живут и на континентах, и на островах, ареал их распространения обширен. У гекконов есть одна особенность — они умеют удерживаться практически на любой поверхности. Вес тела животного удерживает даже одна лапа. Поверхность может быть любой — дерево, скальная порода, даже полированное стекло.

На способность геккона крепко держаться за что угодно обращали внимание еще древние греки. Аристотель пытался понять принцип закрепления лапы ящерицы, интересовались гекконами и средневековые ученые. Изучают их и в наше время. Есть несколько теорий, объясняющих выдающиеся способности этих ящериц в «альпинизме».

Присоски на пальцах. Одно из первых объяснений, которое выглядело вполне логичным. Правда, после изучения лапы геккона под микроскопом оказалось, что присосок на пальцах нет. К сожалению, миф о присосках живет и по сей день.

Электростатика. Еще одно правдоподобное объяснение, которое удалось опровергнуть (хотя есть и некоторые подтверждения этой теории, о них поговорим ниже), создав условия, при которых заряда на лапах геккона просто не могло быть. Животное все равно крепко держалось на гладкой поверхности.

Опровержение было получено еще в 30-х годах прошлого века. Немецкий ученый Вольф-Дитрих Деллит (Wolf-Dietrich Dellit) направил поток ионизированного воздуха в сторону лап геккона, который держался на металлической поверхности. Ионизация, по мнению Деллита, должна была нейтрализовать или значительно уменьшить силу сцепления лап с поверхностью, если бы механизм сцепления имел электрическую природу. Этого не произошло, поэтому был сделан вывод, что гекконы используют что-то еще.

Канадский ученый Александр Пенлидис считает, что этот эксперимент был некорректным. Дело в том, что контакт между лапами геккона и поверхностью чрезвычайно тесен, вследствие чего ионизированные молекулы просто не в состоянии проникнуть между сверхмалыми структурами лап и поверхности и нейтрализовать взаимодействие.

Сцепление лап геккона с неровностями поверхности. Это объяснение тоже не подходит, поскольку гекконы могут передвигаться по вертикальной поверхности из полированного стекла. Более того, они могут передвигаться и по потолку из того же материала.

Фото: wikipedia

С появлением электронного микроскопа лапу геккона удалось изучить во всех деталях. Как оказалось, она покрыта чрезвычайно тонкими щетинками, длина которых составляет до сотни микрометров. Концентрация щетинок на единицу площади поверхности лапы очень высока: более 14 000 волосков на 1 мм 2 . Каждая щетинка, в свою очередь, не является монолитным образованием, а делится на конце на 400-1000 еще более мелких волокон. Толщина таких волокон составляет 0,2 мкм. На 1 см 2 контакта с поверхностью приходится около 2 млрд волокон, каждое из которых к концу расширяется.

а. Лапка геккона б. «Подушечка» пальца геккона под микроскопом в. Одна из щетинок лапы геккона г. Она же, под бОльшим увеличением д. Максимальное увеличение щетинки (фото: somuchnews)

Американские ученые выяснили, что сила сцепления лапы геккона токи составляет 10 Ньютон на 1 см 2 . Такое сцепление возможно лишь для гладких поверхностей, где задействованы практически все волокна на лапах животного. Если речь идет о поверхностях, часто встречающихся в местах обитания гекконов — скалы, деревья, здесь задействована лишь часть волокон на лапах (в силу большого числа неровностей на этих поверхностях), но и этого достаточно для удержания животного на месте.

Как оказалось, микроскопические волоски на лапах геккона сцепляются с опорной поверхностью посредством ван-дер-ваальсовых сил. Ван-дер-ваальсовы силы — силы межмолекулярного (и межатомного) взаимодействия с энергией 10—20 кДж/моль. Основу ван-дер-ваальсовых сил составляют кулоновские силы взаимодействия между электронами и ядрами одной молекулы и ядрами и электронами другой. На определенном расстоянии между молекулами силы притяжения и отталкивания уравновешивают друг друга, и образуется устойчивая система. Именно такую систему и составляет лапа геккона с поверхностью, с которой она соприкасается.

Сложное строение лапы обеспечивает и еще одно ее свойство — гидрофобность. Лапа отталкивает воду и грязь, благодаря чему геккон может неплохо передвигаться и по влажным поверхностям.

Геккон без проблем открепляет лапу от поверхности, на которой она закреплена. Для этого используется специальный механизм. Дело в том, что прикрепившаяся к какому-либо материалу щетинка может без труда открепиться, если угол между волокном и поверхностью составит более 30°. При движении, изменяя угол соприкосновения лапы и поверхности, геккон без труда закрепляет и открепляет лапы. Затраты энергии на этот процесс минимальны.

Силы Ванд-дер-ваальса или что-то еще?

Два года назад канадский ученый Александр Пенлидис (Alexander Penlidis) решил самостоятельно изучить механизм прилипания лап геккона к поверхностям. Как оказалось, при соприкосновении лапы и поверхности возникает обмен электрическими зарядами. В итоге образуется положительный электростатический заряд у лапы и отрицательный — у поверхности.

Пенлидис ставил эксперимент с двумя типами полимерных поверхностей — тефлоном AF и полидиметилсилоксаном. Согласно выводам, сделанным ученым по результатам исследования, сила адгезии коррелировала с величиной электростатического заряда лапы и поверхности. А из этого следует, что именно электрический заряд играет главную роль в сцеплении лапы с поверхностями.

Исследование интересное, но оно не отвечает на важный вопрос — каким образом геккон держится на очень неровных поверхностях, где обеспечить адгезию с использованием электрического заряда гораздо сложнее, чем на ровной поверхности. Возможно, лапы геккона имеют двойной механизм сцепления — и силы ван-дер-ваальса, и электрический заряд.

Влияние воды

В подавляющем большинстве случаев ученые проводили эксперименты с гекконами в сухой среде. Ученые из Акронского университета решили проверить, насколько хорошо ящерица может перемещаться по увлажненным поверхностям. Как оказалось, если распылить на стеклянную пластину воду, то животное держится на такой поверхности гораздо хуже, чем на той же пластине без капель воды.

Тем не менее, удержаться на влажной поверхности геккону удается. Но если пластину погрузить на небольшую глубину в воду, а геккона снова поместить на пластину, то ящерица не может удержаться на поверхности в таких условиях. Если погрузить лапы геккона в воду на полтора часа, а затем посадить его на стекло, он соскальзывает, не в силах закрепиться.

По мнению Алиссы Старк (Alyssa Stark) из Акронского университета, это объясняется тем, что вода мешает силам ван-дер-ваальсового взаимодействия, и лапы геккона не могут закрепиться на поверхности.

Не только лапы

В механизме закрепления лап на поверхности участвует все тело геккона, утверждают ученые из Массачусетского университета в Амхерсте. Тело рептилии, по словам Альфреда Кросби (Alfred Crosby), играет роль пружины, которая прижимает лапы к поверхности. И чем больше масса тела геккона, тем сильнее эта пружина. Благодаря этому механизму в любой поверхности отлично держатся и крупные виды гекконов, а не только их мелкие родственники.

Несмотря на то, что Александр Пенлидис смог доказать влияние электрического заряда на адгезионную способность лап геккона, большинство специалистов поддерживают все же точку зрения о механизме сцепления на основе сил ван-дер-ваальса. Сейчас ученые пытаются объяснить еще одну интересную проблему — происхождение этого механизма в процессе эволюции.

Источник