By 
Жаби-цвіркуни, що мешкають у Вірджинії та Північній Кароліні, демонструють неймовірну здатність бігати поверхнею води, кидаючи виклик нашим уявленням про фізику та поведінку тварин. Нове дослідження виявило, що те, що здається водним танцем, насправді є серією швидких стрибків, що занурюються. Це дивовижне розуміння покращує наше розуміння пересування тварин і має потенційні наслідки для розробки передової робототехніки та дронів-амфібій, натхненних природою.
Жаби, що стрибають по воді
Чи можуть жаби ходити по воді?
Деякі види жаб зачаровують як вчених, так і любителів природи своєю, здавалося б, неможливою здатністю стрибати та стрибати по воді, ніби кидаючи виклик гравітації. Серед цих дивовижних жаб — жаба-цвіркун, вид, який походить із Вірджинії та Північної Кароліни. Його рухи на воді не тільки інтригують, але також можуть запропонувати ідеї, які можуть сформувати майбутні інновації в робототехніці, дизайні водних суден та інших технологіях.
Джейк Соча, професор машинобудування імені Семюеля Герріка, очолює дослідницьку групу, яка досліджує унікальну навичку жаби-цвіркуна під назвою «стрибати». Цей термін відноситься до здатності жаби здійснювати кілька швидких стрибків через поверхню води. Їх висновки, детально опубліковані в Journal of Experimental Biology, включають аспіранта Талію Вайс як провідного автора дослідження.
«Скіттерінг насправді не є чітко визначеним словом для такої поведінки — один натураліст використав його, щоб описати поведінку «стрибків по воді» у жаб у 1949 році, і з тих пір воно використовується для цього типу пересування в усій наступній літературі, – сказав Вайс. «Частиною цього дослідження є не лише вивчення такої поведінки жаб-цвіркунів, а й спроба дати «скіттеру» більш точне наукове визначення».
Унікальна механіка пересування
Як вони це роблять? У своїх дослідженнях члени команди Socha виявили, що загальна думка стверджує, що жаба перетинає воду, не занурюючись, але для цього може знадобитися вузькоспеціалізована анатомія. Що є у цієї жаби, чого немає в інших?
«Наша лабораторія вивчила низку тварин, і багато з них демонструють захоплюючу поведінку в навігації в навколишньому середовищі», — сказав Соча. «Скромна жаба-цвіркун живе неподалік, але вона все одно здивувала нас своїми здібностями, ще більше спонукаючи нашу цікавість до розуміння живого світу.
Статистика високошвидкісної відеозйомки
Жаби-цвіркуни — одні з найменших жаб у Північній Америці, вони легко сидять на великому пальці руки середньої дорослої людини. Щоб спостерігати за жабою-цвіркуном у русі, члени команди використовували високошвидкісну відеозйомку. Вони записали, як жаба стрибає як на суші, так і у воді, спостерігаючи за рухом їхніх лапок, коли вони рухалися обома.
Команда виявила, що жаби насправді тонуть з кожним стрибком. У той час як «бігання» дає картину жаб, які вільно стрибають, а лише їхні ноги проникають у поверхню води, записи показали іншу картину. Соха, Вайс та їхні товариші по команді бачили, що кожного разу, коли жаба спускалася зі стрибка, усе її тіло занурювалося. Рух був не так схожий на жабу, яка вільно стрибає й танцює по воді, а більше нагадував хлоп і стрибок. Їхні рухи краще було б назвати «морськими свинями» на честь рухів, які використовує морська свиня або дельфін: стрибки в повітря з-під поверхні води.
Динаміка стрибків жаби
Причина того, що жаби-цвіркуни раніше здавалося танцюючими по воді, якщо дивитися на них очима, полягає в їх швидкому русі. Щоб записати цей надшвидкий рух, команда використала 20-галонний скляний резервуар і випустила туди жаб. Високошвидкісні камери, які знімали до 500 кадрів на секунду, були спрямовані з боку скляного резервуара, щоб зафіксувати дію над і під поверхнею води. Коли жаби стрибали, команда зафіксувала їхню втечу. Відео було сповільнено до невеликої частки початкової швидкості. Коли вони переглянули кадри, члени команди зробили своє дивовижне спостереження: жаби справді потонули.
Виявлення уповільнених спостережень
«Дивно, як легко ми можемо обдурити швидкі рухи тварин», — сказав Соха. «Тут нас вводить в оману жаба, яка виглядає як камінь, який стрибає, але насправді стрибає та кидає кілька разів поспіль. Жаби чудово стрибають, але більшість із них не виявляють такої поведінки, як морські свині, і ми досі не знаємо, чому. Чи є щось особливе у стрибку жаби, чи справа просто в маленькому розмірі тіла?»
Спостерігаючи за ними в уповільненій зйомці, члени команди могли спостерігати за рухом жаби, коли вона втягувала та розгинала кінцівки. Вони також помітили, що кут його тіла до ватерлінії відігравав важливу роль, даючи йому можливість балансувати у воді. Вони розділили кожен цикл стрибка на:
- Зліт, з підводного положення
- Aerial, або час у повітрі після стрибка
- Повторний захід, назад у воду
- Відновлення, скидання до наступного стрибка
Трохи більше, ніж за одну секунду, жаба злетіла, будучи повністю зануреною, витягнувши ноги в підводному поштовху, щоб підняти своє тіло над поверхнею. Його задні лапи залишалися витягнутими під час руху в повітрі, а передні ноги рухалися від притискання до тіла, щоб потягнутися вперед. Витягнуті передні ноги першими торкаються води при повторному входженні, а задні все ще витягнуті, коли він тоне. Коли він опускається, задні ноги втягуються і згинаються назад у положення для стрибка. Виконується ще один стрибок, повторюючи рух.
Це, по суті, провал живота. Команда спостерігала, як жаби робили вісім стрибків поспіль, кожен з яких був повністю виконаний менш ніж за секунду.
Наслідки для технології та робототехніки
Розуміння скітерінгу є важливим відкриттям для царства біології, але воно містить і інші ключі. Це відкриття створює нову фізичну основу для майбутньої біотехніки. Його можна застосувати до системи тестування води, яку необхідно швидко розгорнути, або до безпілотника-амфібії, який проводить вимірювання глибини води. Ці футуристичні пристрої можуть використовувати підказки природи, щоб використовувати добре перевірені методи, якими жаби користуються століттями.
Comments