Обитающие в воде водомерки, спасаясь от хищников, в быстром прыжке отскакивают от поверхности воды. Более крупные и тяжелые виды должны использовать новый механизм для успешного побега. Ученые выяснили, как это работает.
Водомерки (водомерки: Gerridae ) — насекомые из группы водяных клопов, обитающие на поверхности воды . Они встречаются на всех континентах, обычно живут в прудах, озерах или водоемах с медленным и быстрым течением. Некоторые виды могут выжить даже на поверхности океанических вод.Наиболее распространены в Польше сравнительно мелкие виды Gerris lacustris и более крупные Aquarius paludum , тело которых достигает длины около 1,5 см, а вес не превышает 60 мг.
Водомерки держатся на поверхности воды благодаря своим длинным ногам, покрытым тонкими волосками. Наличие этих микроскопических волосков приводит к сильным гидрофобным свойствам и позволяет этим насекомым использовать поверхностное натяжение воды. Под давлением их ног поверхность воды прогибается, создавая крошечные впадины.
Они питаются другими насекомыми, появляющимися на поверхности воды, а сами могут стать жертвой подводных хищников. Когда они хотят избежать нападения насекомых или рыбы, они используют углубления, оставленные их ногами, как крошечные трамплины, позволяющие им быстро прыгать.
Чем сильнее давление на поверхность пленки и чем больше углубление, тем больше сила поверхностного натяжения и тем быстрее ход. Насекомые не протыкают ногами поверхность воды, потому что тогда сила поверхностного натяжения была бы равна нулю – аналогично ситуации, когда поверхность батута разбивается. Скорость, которую они достигают при прыжках, составляет даже 1,6 м/с.
До недавнего времени учёные считали, что именно так прыгают все водомерки. Однако они сделали эти выводы на основе исследований более мелких видов, легко доступных исследователям.
Новое исследование, проведенное в тропических лесах национального парка Пу Мат во Вьетнаме, показало, что другой механизм используют крупнейшие в мире водомерки, размах ног которых достигает 30 см. Это виды Gigantometra gigas и другие виды массой более 80 мг.
Ученые из Кореи, Вьетнама, Польши и Франции наблюдали за насекомыми в их естественной среде обитания. Анализы показали, что, в отличие от более мелких водомерок, гигантские виды протыкают поверхность воды, когда их ноги прижимаются к ней во время прыжка.
Результаты исследования ученые опубликовали в PNAS . Проф. Петр Г. Яблоньский из Музея и Института зоологии Польской академии наук в сотрудничестве с биологами и инженерами Сеульского национального университета, Института науки и технологий Тэгу Кёнбук (DGIST) в Корее, при участии французского исследователя из Политехническая школа во время ее визита в Корею.
«Как полевой биолог, который видит истинную ценность науки в наблюдении за животными в их естественной среде обитания, мне надоела такая распространенная исследовательская практика, основанная на удобном наблюдении за насекомыми, присутствующими +прямо у вас под носом+ возле университетских кампусов. Поэтому вместе с корейскими и вьетнамскими коллегами я провел несколько полевых экспедиций во Вьетнаме, где мы обнаружили новый механизм у крупнейшего в мире насекомого, проводящего всю свою жизнь на поверхности воды, — водомерки Gigantometra gigas, массой до 0,5 г. граммов», — рассказывает Science в Польше соавтор публикации проф. Петр Г. Яблонский.
Сняв их прыжки в поле со скоростью 1000 кадров в секунду, исследователи обнаружили новый механизм. «Мы заметили, что эти гигантские водомерки разрывают поверхностную пленку воды во время своих прыжков. Поэтому механизм +трамплин+ применим только к начальным моментам прыжка, прежде чем мембрана разорвется. Затем ноги, окруженные слоем воздуха, движутся вниз и толкают воду вниз, а тело водомерки вверх. Таким образом, они используют сопротивление воды, подобно веслам лодки, которые толкают воду назад, чтобы переместить лодку вперед. Мы обнаружили, что у этих водомерок на ногах исключительно длинные волосы, которые помогают создавать слой воздуха вокруг ноги», — описывает исследователь.
«Тогда, — поясняет проф. Яблоньский – вместе с инженерами мы предложили математическую модель, которая объясняет, почему меньшие водомерки используют только поверхностное натяжение, а более крупные виды используют комбинацию двух сил: поверхностного натяжения и сопротивления».
Если бы крупные водомерки прыгали, не повредив поверхностную мембрану, это привело бы к более медленному прыжку, что сделало бы их уязвимыми для хищников. Поэтому самые крупные виды разработали несколько иной метод набора скорости, который может защитить их от нападения рыбы. Это скорость, сравнимая со скоростью, достигаемой более мелкими видами – она достигает около 1 м/с и более.
Открытие показывает, что близкородственные виды могут использовать разные физические механизмы, в зависимости от их размера, для достижения одного и того же результата — спасения от хищника.
Результаты международной команды интересны как с инженерной, так и с эволюционной точки зрения. Они вдохновляют инженеров на создание новых роботов, которые передвигаются по воде. Они предоставляют биологам основу для сравнения различных видов водомерок , чтобы понять, как поведение каждого вида развивалось с увеличением размера тела.
Нет комментариев