Badacz odkrywa sztuczkę, której używają owady wodne, aby uciec przed drapieżnikami

Wodni pielgrzymi (Gerridy) to owady z grupy pluskiew żyjących na powierzchni wody. Występują na wszystkich kontynentach, najczęściej w stawach, jeziorach lub wodach, które płyną wolno lub szybko. Kilka gatunków może przetrwać nawet na powierzchni wód oceanicznych. Gatunkami najpospolitszymi w Polsce są gatunki stosunkowo niewielkie Gerris lacustris i tym większe akwarium paludumktórego ciało osiąga około 1,5 cm długości i masa nie przekracza 60 mg.

Jak skaczą wodnicy? Woda to Twoja mini trampolina

Narciarze wodni utrzymują się na powierzchni wody dzięki długim nogom pokrytym delikatnym włosem. Obecność tych mikroskopijnych włosków powoduje silne właściwości hydrofobowe i pozwala tym owadom wykorzystywać napięcie powierzchniowe wody. Pod naciskiem nóg powierzchnia wody ugina się, tworząc małe zagłębienia.

Żywią się innymi owadami pojawiającymi się na powierzchni wody, a same mogą paść ofiarą podwodnych drapieżników. Kiedy chcą uniknąć ataków pływaków lub ryb, wykorzystują wgłębienia utworzone przez ich nogi jako małe trampoliny, umożliwiające im szybkie skakanie.

Im silniejszy nacisk na warstwę powierzchniową i im większe zagłębienie, tym większa siła napięcia powierzchniowego i szybszy skok. Owady nie przebijają odnóżami powierzchni wody, gdyż wtedy siła napięcia powierzchniowego byłaby zerowa – analogicznie do sytuacji, w której powierzchnia trampoliny jest uszkodzona. Prędkość skoków, jaką osiągają, dochodzi do 1,6 m/s.

Najwięksi na świecie nartowcy skaczą inaczej

Do niedawna naukowcy sądzili, że wszyscy nartowcy skaczą w ten sposób. Jednak wyciągnęli te wnioski na podstawie badań jedynie mniejszych gatunków, które są łatwo dostępne dla badaczy.

Nowe badania przeprowadzone w lasach deszczowych Parku Narodowego Pu Mat w Wietnamie wykazały inny mechanizm, którym posługują się największe na świecie nartniki, których rozpiętość skrzydeł może sięgać 30 cm. Dotyczy to gatunku Gigantometry gigas i inne gatunki o masie większej niż 80 mg.

Naukowcy z Korei, Wietnamu, Polski i Francji obserwowali owady w ich naturalnym środowisku. Analizy wykazały, że w przeciwieństwie do mniejszych nartników, te olbrzymie gatunki rozbijają powierzchnię wody, gdy podczas skoku naciskają na nią nogami.

Naukowcy opublikowali wyniki swoich badań w PNAS. W projekcie wziął udział profesor Piotr G. Jabłoński z Muzeum i Instytutu Zoologii PAN, który współpracował z biologami i inżynierami z Seoul National University, Daegu Gyeongbuk Institute of Science and Technology (DGIST) w Korei, przy udziale: francuska badaczka w École Polytechnique podczas wizyt w Korei.

„Jako biolog terenowy, który prawdziwą wartość nauki dostrzega w obserwacjach zwierząt w ich naturalnym środowisku, miałem dość powszechnej praktyki badań opartej na wygodnych obserwacjach owadów obecnych + tuż pod naszymi nosami + w pobliżu kampusów uniwersyteckich. Dlatego wraz z koreańskimi i wietnamskimi kolegami uczestniczyłem w kilku wyprawach terenowych w Wietnamie, gdzie odkryliśmy nowy mechanizm u największego na świecie owada, który całe życie spędza na powierzchni wody – nartnika. Gigantometry gigaso wadze do 0,5 grama” – mówi współautor publikacji, profesor Piotr G. Jabłoński.

Po sfilmowaniu ich skoków z szybkością 1000 klatek na sekundę naukowcy odkryli nowy mechanizm. „Zaobserwowaliśmy, że te gigantyczne narty, podczas skoku, przerywają warstwę wody na powierzchni. Dlatego mechanizm +trampolina+ stosowany jest tylko w początkowych momentach skoku, jeszcze przed zerwaniem folii. Następnie otoczone warstwą powietrza nogi opadają w dół i wypychają wodę w dół, a ciało narciarza wodnego w górę. W ten sposób wykorzystują siłę oporu wody, podobnie jak wiosła łodzi, które popychają wodę do tyłu, aby popchnąć łódź do przodu. Odkryliśmy, że ci spacerowicze mają wyjątkowo długi włos na nogach, co pomaga wytworzyć wokół nogi film powietrza” – mówi Jabłoński.

Za ciężki na szybki skok

„Więc” – wyjaśnia Jabłoński – „wraz z inżynierami zaproponowaliśmy model matematyczny, który wyjaśnia, dlaczego mniejsze nartniki wykorzystują jedynie siłę napięcia powierzchniowego, podczas gdy większe gatunki wykorzystują kombinację dwóch sił: napięcia powierzchniowego i oporu”.

Gdyby duże narty wodne skoczyły, nie przerywając warstwy powierzchniowej, spowodowałoby to wolniejszy skok, co naraziłoby je na ataki drapieżników. Większe gatunki opracowały zatem nieco inną metodę osiągania prędkości, która może uchronić je przed atakiem ryb. Prędkość ta jest porównywalna z osiąganą przez mniejsze gatunki, osiągającą lub przekraczającą 1 m/s.

Odkrycie pokazuje, że blisko spokrewnione gatunki mogą wykorzystywać różne mechanizmy fizyczne, w zależności od swojej wielkości, aby osiągnąć ten sam rezultat – ucieczkę przed drapieżnikiem.

Odkrycia międzynarodowego zespołu są interesujące zarówno z inżynieryjnego, jak i ewolucyjnego punktu widzenia. Dostarczają inżynierom inspiracji dla nowych robotów poruszających się w wodzie. Dostarczają biologom podstawy do porównań między różnymi gatunkami nartostrad, aby zrozumieć, jak ewoluowało zachowanie poszczególnych gatunków wraz ze wzrostem rozmiaru ciała.

PAP – Nauka w Polsce, Ewelina Krajczyńska-Wujec

ekr/ agt/ kap/

tr. RL