Zbadanie, w jaki sposób największe na świecie nartniki wodne wskakują do wody

Wodne ślizgacze żyją na powierzchni wody, a długość ich nóg waha się od kilku do ponad 100 milimetrów. Wiadomo, że używają swoich długich hydrofobowych nóg i podpierają swoje ciała na powierzchni, nie łamiąc jej. Pod każdą nogą powierzchnia wody zakrzywia się, tworząc dołek (menisk). Cięższe nartniki wodne tworzą głębsze dołeczki, które wytwarzają silniejszą siłę skierowaną do góry z rozciągniętej w dół powierzchni wody, która podtrzymuje ciało owada.

Kiedy ślizgacze wodne uciekają przed drapieżnikami atakującymi pod wodą, podskakują w górę. Jego skok może osiągnąć prędkość ponad 1 m / s w zaledwie ułamek sekundy (10–20 milisekund) bez rozbijania powierzchni wody, a roboty zostały wyprodukowane, które naśladują to zachowanie.

Aby wykonać te skoki, nartniki wodne szybko przesuwają nogi w dół po powierzchni wody, ale nie za szybko, aby powierzchnia wody pozostała nienaruszona. W tym przypadku każdy dołek działa jak mini trampolina: im głębiej jest wciśnięty, tym silniejsza jest siła skierowana w górę, umożliwiając szybki skok.

Do niedawna uważano, że wszystkie nartniki wodne skaczą w ten sposób. Jednak zbadano tylko kilka małych gatunków, reprezentujących zaledwie 10% pełnego zakresu rozmiarów ciał wędrowców wodnych (10 do 60 mg), ponieważ są one łatwo dostępne dla naukowców.

Niedawne ekspedycje badawcze mające na celu zbadanie największych na świecie nart wodnych w subtropikalnych lasach Wietnamu, a następnie modelowanie matematyczne, odkryły nowy mechanizm skoków używany przez gigantycznego nartnika wodnego ( Gigantometra gigas ) i kilka innych dużych nart wodnych, które przekraczają rozmiar ciała około 80 mg.

Niedawno opublikowane badania zostały przeprowadzone przez zespół biologów i inżynierów z Seoul National University (Korea), Muzeum i Instytutu Zoologii Polskiej Akademii Nauk (Polska), Daegu Gyeongbuk Institute of Science and Technology (Korea), Academy of Science and Technology of Vietnam (Wietnam) oraz National University of Vietnam (Wietnam) i École Polytechnique (Francja).

Badanie ujawniło nowy mechanizm skakania wykorzystywany przez wodne olbrzymy, które są dziesięć razy cięższe niż te najczęściej badane. Badania terenowe nad tym gatunkiem przeprowadzono w Parku Narodowym Pu Mat w Wietnamie z pomocą administracji Parku Narodowego Pu Mat podczas dwóch ekspedycji terenowych. Naukowcy sfilmowali szybkie filmy przedstawiające wodne giganty skaczące w ich naturalnym środowisku oraz w zbiornikach z czystą wodą znajdujących się w pobliżu strumienia, w którym żyją zwierzęta wodne.

Zespół zaobserwował zasadniczą różnicę w zachowaniu podczas skoków między tymi wodnymi gigantami a typowymi mniejszymi gatunkami, które już badano. W przeciwieństwie do mniejszych nart wodnych, olbrzymie nartniki faktycznie łamią powierzchnię wody, gdy ich nogi naciskają podczas skoku. Po tym, jak jego nogi rozbijają powierzchnię wody, nogi poruszają się szybko w dół, otoczone warstwą powietrza uwięzionego w długich włosach obecnych na nogach tego gatunku i wokół nich.

Kiedy noga otoczona powietrzem porusza się w wodzie, doświadcza siły oporu, zwanej oporem, która przeciwstawia się jej ruchowi. Jest to podobne do sposobu, w jaki używa się wiosła do napędzania łodzi przez wodę. Siła ta wypycha wodne olbrzymy w górę podczas drugiej fazy skoku. W ułamku sekundy (około 40 milisekund) wodne olbrzymy osiągają prędkość ciała około 1 m/s lub więcej. Chociaż wykorzystują nowy mechanizm skakania, prędkość ta jest porównywalna z szybkością mniejszych gatunków badanych wcześniej.

Następnie zespół opracował matematyczny model skoków nart wodnych, aby odkryć przyczynę wyjątkowego zachowania podczas skoków, jakie wykazują gigantyczne nartniki wodne. Naukowcy odkryli, że te największe na świecie nartniki wodne są tak ciężkie, że ten sam mechanizm nierozbijania powierzchni wody po prostu nie zadziałałby; skutkowałoby to wolniejszymi skokami, co naraziłoby je na ataki drapieżników, takich jak ryby.

Jednak poruszając nogami wystarczająco szybko, aby rozbić powierzchnię wody i wytworzyć opór wody, owady są w stanie skakać wystarczająco szybko, aby uniknąć ataków drapieżników. Model przewiduje, że nartniki wodne ważące ponad 80 mg powinny używać tej metody skoku, aby osiągnąć prędkość, która może uchronić je przed atakiem ryb. Ilustruje to ważną rolę doboru naturalnego w ewolucji nowego mechanizmu skakania u dużych nart wodnych.

To odkrycie pokazuje, że nartniki wodne wykorzystują różne mechanizmy skoków w zależności od wielkości ciała. „Ujawniamy nowy mechanizm skakania wykorzystywany przez wodne olbrzymy. To odkrycie pokazuje, że blisko spokrewnione gatunki mogą wykorzystywać różne mechanizmy fizyczne w zależności od swojej wielkości, pomimo wykonywania tego samego zachowania (skakania) dla tej samej funkcji (ucieczki przed drapieżnikami)” – komentuje zespół badawczy.

„To odkrycie jest interesujące zarówno z inżynieryjnego, jak i ewolucyjnego punktu widzenia, ponieważ stanowi inspirację dla robotów chodzących po wodzie i kładzie solidne podstawy teoretyczne dla przyszłych analiz porównawczych różnych gatunków wodniaków wędrownych, aby zrozumieć koewolucję między rozmiarem ciała a mechanizmem skakania wodniaków wędrownych” – projekt, nad którym obecnie pracuje zespół badawczy.

Praca została opublikowana w czasopiśmie Roczniki Narodowej Akademii Nauk.