Двигаясь со скоростью, в тысячи раз превышающей моргание, подпружиненные челюсти-ловушки муравья из рода одонтомахус застают добычу насекомого врасплох, а также могут подбросить муравья в воздух, если он нацелит свои челюсти на землю. Недавно же учёные выяснили, как челюсти муравья могут захлопываться с молниеносной скоростью, не разрывая при этом существо.

В новом исследовании, опубликованном в четверг (21 июля) в Journal of Experimental, группа биологов и инженеров изучила вид муравья под названием Odontomachus brunneus, обитающего в некоторых частях США, Центральной Америки и Вест-Индии. Чтобы осуществить свой мощный и молниеносный укус, муравьи сначала раздвигают челюсти, образуя угол в 180 градусов, и «взводят» их к защёлкам внутри головы. Команда учёных обнаружила, что огромные мышцы, прикреплённые к каждой челюсти с помощью похожего на сухожилие шнура, подтягивают челюсти на место, а затем сгибают, чтобы создать запас упругой энергии; это сгибание настолько сильное, что оно деформирует боковые стороны головы муравья, заставляя их вгибаться внутрь. Когда муравей наносит удар, его челюсти открепляются, и накопленная энергия тут же высвобождается, заставляя челюсти сталкиваться друг с другом.

Муравьи Odontomachus brunneus используют подпружиненный механизм, чтобы выпускать челюсти с безумной скоростью. Изображение: Reproduced with permission of The Company of Biologists. Sutton, G. P., St Pierre, R., Kuo, C.-Y., Summers, A., Bergbreiter, S., Cox, S. and Patek, S. N. (2022). Dual spring force couples yield multifunctionality and ultrafast, precision rotation in tiny biomechanical systems. J. Exp. Biol. 225, jeb244077. doi:10.1242/jeb.244077.

Исследователи детально изучили этот подпружиненный механизм, однако инженеры проекта ломали голову над тем, как система может работать, не создавая слишком большого трения. Трение не только замедлило бы работу челюстей, но и вызвало бы разрушительный износ в точке вращения каждой челюсти. Используя математическое моделирование, они в конце концов нашли ответ, как муравьи одонтомахус избегают этой проблемы.

«Это та часть, которая невероятно волнует инженеров», отчасти потому, что открытие может проложить путь к созданию крошечных роботов, части которых могут вращаться с беспрецедентной скоростью и точностью, — говорит Шейла Патек (Sheila Patek), профессор биологии в Университете Дьюка в Дареме, Северная Каролина, и старший автор исследования.

Подпружиненная система, практически не имеющая трения

Чтобы изучить невероятные челюсти Odontomachus brunneus, Патек и её коллеги собрали муравьёв из колонии, обнаруженной в кустарниках недалеко от Лэйк Плэсид, Флорида, США. Вернувшись в лабораторию, команда препарировала некоторых муравьёв и провела подробные измерения и микро-КТ-сканирование частей их тела, особенно их челюстей, мышц и экзоскелета головы. Позже они включили эти измерения в свои математические модели движений муравьёв.

Кроме того, команда поместила нескольких муравьев перед высокоскоростной камерой, которая снимала кадры с колоссальной скоростью 300 тысяч кадров в секунду. (Для сравнения, видео обычно снимается со скоростью от 24 до 30 кадров в секунду.) Эти видеоролики показали, что, когда муравьи готовились к удару своими челюстями, экзоскелет, покрывающий их головы, подвергался значительному сжатию, укоротившись примерно на 3% по длине и став примерно на 6% тоньше в середине. По словам Патек, это сжатие происходило в течение нескольких секунд, что кажется медленным по сравнению с быстрым укусом муравья.

После освобождения из защёлок челюсти муравьев описали идеальную дугу, достигнув максимальной скорости около отметки 65 градусов, прежде чем начать замедляться. Максимально быстро кончики челюстей муравьев двигались по воздуху со скоростью примерно 120 миль в час (195 км/ч).

Команда специалистов определила, что это сверхбыстрое движение происходило плавно и точно благодаря нескольким силам, действующим на челюсти одновременно.

Челюсти муравьёв настолько быстры при укусе, что должны разрывать их головы, но почему этого не происходит?Изображение: Wikipedia

В самом начале, когда голова муравья принимает свою нормальную форму, происходит катапультация кончика каждой челюсти. Тем временем большие мышцы внутри головы муравья расслабляются и перестают растягивать похожие на сухожилия шнуры, к которым они были прикреплены. Когда каждый шнур возвращается к своей нормальной длине — представьте себе внезапно отпущенную растянутую резинку — он дёргает за конец челюсти, которая находится внутри головы муравья. Именно это одновременное нажатие и вытягивание заставляет челюсти муравья совершать полёт навстречу друг другу.

Аналогичный принцип применяется, когда вы крутите бутылку на плоской поверхности; вращательное движение, необходимое для вращения бутылки, включает в себя толкание одного конца бутылки вперед и оттягивание другого конца назад. Точно так же, когда балерины выполняют пируэты при поддержке партнёра, партнёр обычно толкает одно её бедро вперёд, а другое отводит назад, чтобы привести её в движение. Однако лучшей аналогией движения нижней челюсти муравья является жонглирование булавами, цирковое искусство, в котором артисты используют две и более булавы, подбрасывая их по очереди в воздух.

Булава сталкивается с небольшим трением, когда переворачивается в воздухе, и, основываясь на своих математических моделях, авторы исследования считают, что нижние челюсти муравья одонтомахуса также не напряжены. Сначала исследователи думали, что каждая челюсть может поворачиваться вокруг штифтового соединения, подобно двери на петле, но они решили, что такая конструкция будет создавать слишком большое сопротивление. Вместо этого они обнаружили, что челюсти вращаются вокруг гораздо менее жёсткой суставной структуры, которая требует небольшого усиления в голове муравья.

«Двойной пружинный механизм резко снижает силы реакции и трение в этом суставе, так что сустав не нуждается в особом усилении, чтобы удерживать нижнюю челюсть на месте», — говорит соавтор исследования Грегори Саттон (Gregory Sutton), научный сотрудник Университета Королевского общества в Университете Линкольна в Англии.

Авторы пришли к выводу, что отсутствие трения в этой системе может объяснить, как данные муравьи могут наносить удары своими челюстями снова и снова, не причиняя себе вреда.

Исследователи считают, что все муравьи рода Odontomachus используют один и тот же подпружиненный механизм для укуса, но муравьи одонтомахус других родов могут использовать несколько иную стратегию, сказала Патек. При этом Патек подозревает, что обнаруженный ими механизм вполне может использоваться другими членистоногими, то есть насекомыми, пауками и ракообразными.

Например, креветка-богомол, известная тем, что наносит удары со скоростью 80 км/ч, скорее всего, деформирует свой экзоскелет и использует сверхэластичные сухожилия для наращивания силы при каждом ударе, хотя на данный момент такой механизм у креветок пока ещё не выявлен.

«Мы начинаем понимать, что это будет эмпирическим правилом для этих сверхбыстрых членистоногих», — отметила Патек.

Правописание уведомления вебмастера


Понравилось? Поделитесь с друзьями!

Комментарии

- комментариев

EnglishРусскийУкраїнська
Включить уведомления Да Спасибо, не надо