Gerris lacustris. Fot. Adobe Stock
Żyjące na wodach nartniki uciekając przed drapieżnikami, odbijają się od powierzchni wody w szybkim skoku. Większe i cięższe gatunki, aby skutecznie uciekać, muszą używać nowego mechanizmu. Naukowcy właśnie dowiedzieli się, na czym on polega.
Nartnikowate (nartniki: Gerridae) to owady z grupy pluskwiaków żyjące na powierzchni wody. Występują na wszystkich kontynentach, żyjąc zwykle w stawach, jeziorach, lub wodach wolno jak też szybko płynących. Kilka gatunków potrafi przetrwać nawet na powierzchni wód oceanicznych Najpospolitsze w Polsce gatunki to stosunkowo mały Gerris lacustris oraz większy Aquarius paludum, których ciało osiąga długość około 1,5 cm, a ich masa nie przekracza 60 mg.
Jak skaczą nartniki? Woda jest ich minitrampoliną
Nartniki utrzymują się dzięki na powierzchni wody dzięki długim, pokrytym drobnymi włoskami odnóżom. Obecność tych mikroskopowych włosków powoduje silne własności hydrofobowe i pozwala tym owadom na wykorzystanie siły napięcia powierzchniowego wody. Pod wpływem nacisku ich nóg powierzchnia wody wygina się tworząc maleńkie wgłębienia.
Żywią się innymi owadami, które pojawią się na powierzchni wody, a same mogą paść ofiarą podwodnych drapieżników. Gdy chcą uciec przed atakującymi je pluskolcami lub rybami, wykorzystują wgłębienia utworzone przez ich odnóża jako maleńkie trampoliny, umożliwiające szybki skok.
Im silniejszy nacisk na błonkę powierzchniową i większe wgłębienie, tym większa siła napięcia powierzchniowego i szybszy skok. Owady nie przebijają przy tym odnóżami powierzchni wody, bo wtedy siła napięcia powierzchniowego byłaby zerowa - analogicznie do sytuacji, gdy powierzchnia trampoliny jest zerwana. Osiągana przez nie prędkość przy skoku to nawet 1,6 m/s.
Największe nartnikowate na świecie skaczą inaczej
Do niedawna naukowcy sądzili, że wszystkie nartniki skaczą w ten właśnie sposób. Jednak wnioski te wyciągali na podstawie badań tylko mniejszych gatunków, łatwo dostępnych dla badaczy.
Nowe badania, przeprowadzone w tropikalnych lasach Parku Narodowego Pu Mat w Wietnamie wykazały, że innego mechanizmu używają największe na świecie nartnikowate, których rozpiętość nóg sięga nawet 30 cm. Chodzi o gatunek Gigantometra gigas oraz inne gatunki o wadze przekraczającej 80 mg.
Naukowcy z Korei, Wietnamu, Polski i Francji obserwowali owady w ich naturalnych siedliskach. Analizy pokazały, że w przeciwieństwie do mniejszych nartnikowatych, olbrzymie gatunki przebijają powierzchnię wody, gdy ich nogi naciskają na nią podczas skoku.
Wyniki badań naukowcy publikowali w PNAS . W pracach uczestniczył prof. Piotr G. Jabłoński z Muzeum i Instytutu Zoologii PAN, współpracując z biologami i inżynierami z Uniwersytetu Narodowego w Seulu (Seoul National University), Daegu Gyeongbuk Institute of Science & Technology (DGIST) w Korei, z udziałem francuskiej badaczki z École Polytechnique w czasie jej wizyty w Korei.
„Jako biolog terenowy, który widzi prawdziwą wartość nauki tworzonej na podstawie obserwacji zwierząt w ich naturalnym środowisku, miałem dość tak powszechnej praktyki badawczej opartej na wygodnych obserwacjach owadów obecnych +tuż pod nosem+ w pobliżu kampusów uniwersyteckich. Dlatego wraz z koreańskimi i wietnamskimi kolegami, spędziłem kilka ekspedycji terenowych w Wietnamie, gdzie odkryliśmy nowy mechanizm u największego na świecie owada, który spędza całe życie na powierzchni wody – nartnika Gigantometra gigas, o wadze sięgającej 0,5 grama” - mówi Nauce w Polsce współautor publikacji prof. Piotr G. Jabłoński.
Po sfilmowaniu w terenie ich skoków z częstością 1000 klatek na sekundę, badacze odkryli nowy mechanizm. “Zaobserwowaliśmy, że te olbrzymie nartniki przerywają błonkę powierzchniową wody w czasie ich skoków. Dlatego mechanizm +trampoliny+ aplikuje się tylko do początkowych momentów skoku przed zerwaniem błonki. Potem nogi otoczone warstewką powietrza poruszają się w dół i pchają wodę w dół a ciało nartnika do góry. Wykorzystują w ten sposób siłę oporu wody, tak samo, jak wiosła łodzi, które pchają wodę do tyłu, żeby poruszyć łódkę do przodu. Odkryliśmy, że nartniki te mają wyjątkowo długie włoski na nogach, które pomagają w utworzeniu warstewki powietrza wokół nogi” - opisuje badacz.
Zbyt ciężkie na szybki skok
“Następnie - tłumaczy prof. Jabłoński - wspólnie z inżynierami zaproponowaliśmy matematyczny model, który wyjaśnia, dlaczego mniejsze nartniki wykorzystują tylko siłę napięcia powierzchniowego a większe gatunki wykorzystują kombinację dwóch sił: napięcia powierzchniowego i oporu”.
Gdyby duże nartniki skakały bez przerwania błonki powierzchniowej, skutkowałoby to wolniejszym skokiem, który uczyniłby je podatnymi na ataki drapieżników. Największe gatunki wykształciły więc nieco inną metodę, aby osiągnąć prędkość, która może je chronić przed atakiem ryb. To prędkość porównywalna do tej osiąganej przez mniejsze gatunki – sięga około 1 m/s lub więcej.
Odkrycie pokazuje, że blisko spokrewnione gatunki mogą wykorzystywać różne mechanizmy fizyczne, w zależności od swojego rozmiaru, dla osiągnięcia tego samego rezultatu – ucieczki przed drapieżnikiem.
Ustalenia międzynarodowego zespołu są interesujące zarówno z punktu widzenia inżynierii, jak i ewolucji. Inżynierom dostarczają inspiracji w tworzeniu kolejnych robotów poruszających się po wodzie. Biologom dają podstawy do porównań różnych gatunków nartnikowatych, aby zrozumieć jak zachowania poszczególnych gatunków ewoluowały wraz ze wzrostem rozmiaru ciała.
Nauka w Polsce, Ewelina Krajczyńska-Wujec
ekr/ agt/
Przed dodaniem komentarza prosimy o zapoznanie z Regulaminem forum serwisu Nauka w Polsce.
