Конкурс «Био/Мол/Текст»-2024/2025

Эта работа опубликована в номинации «Свободная тема» конкурса «Био/Мол/Текст»-2024/2025.

Генеральный партнер конкурса — международная инновационная биотехнологическая компания BIOCAD.

---

Партнер номинации — компания SkyGen: передовой дистрибьютор продукции для life science на российском рынке.

---

«Книжный» спонсор конкурса — «Альпина нон-фикшн»

Введение

Насколько для нас важна вода? Это странный вопрос со всем известным ответом. Вода очень важна. А ее поверхность? Однозначно, да! Первые люди на первом плоту, первые путешествия между континентами, первые торговые пути. Все это благодаря воде. А в современном мире? Вспомните развитие авиации, когда огромный упор делался на гидросамолеты. Или масштабные проекты кораблей на водных крыльях. Вода всегда была и будет важнейшей транспортной артерией для нашей планеты, и от этого не уйти. Впрочем, по воде можно не только плавать, но и скользить!

Каждый видел водомерок. Почти любой пруд или озеро изобилует этими маленькими конькобежцами. Возможно, кто-то даже пытался их ловить, но, скорее всего, безуспешно. Водомерки могут развивать большую скорость, они настоящие профессионалы в скольжении по воде. Возникает вопрос — что эти насекомые забыли «между небом и водой»?

Ответ прост: водомерки (Gerridae) — семейство хищных водных клопов. Ключевое слово здесь — хищные. Водомерки, словно пауки, ждут, пока их жертва упадет в водоем и застрянет в их «ловчей сети» — поверхностной пленке воды. Но смерть для застрявших насекомых будет не с косой, а «на коньках».

Из-за такого способа охоты водомерки, в отличие от многих других водных и полуводных насекомых, обитают на поверхностной пленке и почти никогда не погружаются в воду [1]. Исключение составляют океанические водомерки рода Halobates, которые могут претерпевать вынужденные кратковременные погружения из-за волн, вызванных разбушевавшейся стихией [2].

Как ходить по воде?

Для перемещения по поверхности воды у животных есть две основные технологии. Тяжелые, такие как ящерицы василиски, устраивают спринтерский забег по воде, благодаря чему не тонут [3]. Более мелкие, как водомерки, пользуются поверхностным натяжением и скользят по воде (рис. 1) [4].

Большой шкаф быстрее тонет?

Оказалось, что существует зависимость: чем больше размер и масса водомерки, тем длиннее ее ноги относительно тела. Только благодаря этому в природе обитают и такие виды-гиганты, как Gigantometra gigas, достигающие 20 сантиметров в «размахе лап» при длине тела всего четыре сантиметра (рис. 2) [5].

Особенно важна длина лапок (концевой отдел ноги), которые обеспечивают контакт с поверхностью воды. Это связано с тем, что водомерки держатся на воде почти исключительно благодаря силе, создаваемой искривлением поверхностной пленки, а увеличение площади поверхности контакта может компенсировать увеличение массы тела [6]. Видимо, это один из факторов, ограничивающий размер водомерок. Почему это так важно? Потому что чем меньше должен быть размер технологического аналога, тем сложнее его сконструировать.

Стоять на воде умеют, но это дело нехитрое. Более любопытно, как водомеркам удается «гулять по воде».

Поверхностная пленка, серфинг и парадоксы

В мире водомерок всё связано с поверхностной пленкой. Даже волны. Когда размер настолько маленький, что получается держаться на пленке воды, то обычная волна превращается в цунами. Водомерки не отчаиваются: есть волны, которые им под силу поймать — капиллярные волны. Чтобы понять это явление, можно провести аналогию. Представьте огромный барабан. Вы ударили в его центр, раздался громогласный звук, а по поверхности барабана бегут волны. Так вот, поверхностная пленка — это тот же «барабан», и по ней бегут такие же волны, которые можно наблюдать в виде ряби от ветра или от капель дождя. Движение ног водомерок, словно удар барабанных палочек, способствует образованию капиллярных волн. Было принято считать, что на этих волнах водомерки скользят словно серферы [4], [7].

Впрочем, чтобы перемещение действительно происходило, водомерке нужно постараться. Если движение лапок будет недостаточно быстрым, то поверхностное натяжение полностью компенсирует импульс, и капиллярная волна не сформируется. Скорость движения ног водомерки должна быть не меньше 0,23 м/с (минимальная скорость поверхностных капиллярных волн).

В свое время биолог Марк Денни рассчитал, что у новорожденных водомерок скорости движения ног недостаточно. Это значит, что они не должны уметь плавать, что противоречит наблюдениям в природе. В бочке меда всегда есть ложка дегтя. Так, вместе с теоретическими расчетами Денни на свет появился и его именной парадокс [7].

Чем хороша техника чемпионов мира по гребле?

Одним из факторов успешного «бега по воде» является сила, которую водомерка прикладывает к поверхности воды при толчке. Эта сила близка, но не превышает критическую, при которой водомерка пробьет поверхностную пленку. Таким образом, водомеркам удается следовать методике бега ящериц василисков, но не «садиться в лужу».

Чтобы понять механизм толчков водомерки, нужно изучить ответное поведение жидкости, установить и пронаблюдать характер ее потоков. Тут возникает проблема. Вода — прозрачна и бесцветна. Для решения этой проблемы были использованы красители, что позволило визуализировать процесс. По результатам, взрослые особи водомерок создавали капиллярные волны, но их вклад в передачу импульса оказался мизерным [6]. Уже на этом этапе можно сказать, что водомерки успешно обходят парадокс Денни, используя особый гидродинамический подход.

Оказалось, что при движении водомерок формируются ритмичные полусферические вихри, которые и толкают их вперед.

Да, описание сложное, но посмотрите, как красиво это выглядит визуально (рис. 4). Такой рисунок на водной глади говорит нам о том, что вихри создаются за счет гребных движений ногами и не зависят от капиллярных волн. Ноги функционируют как весла, а лапки — как их лопасти. Получается, что водомерка не «бегает по воде», не «скользит», а «соревнуется в академической гребле». Причем такие завихрения возникают как у взрослых особей, так и у едва вылупившихся нимф. Эти наблюдения оставляют парадокс Денни в прошлом.

В окрашенном растворе вихри водомерок напоминают шедевры Ван Гога, подтверждая, что физики не бывает без лирики. Можно ли после этого считать водомерку простым конькобежцем, или пора дать ей медаль по фигурному катанию?

Робот-жук? Может, лучше робот-водомерка?

Какое-то время назад были популярны игрушечные роботы, сделанные по образу и подобию различных насекомых. Сейчас роботами-жуками никого не удивишь, но робот-водомерка явно выделяется среди них, и изготовили его не в коммерческих целях на шалость детям, а в научных (т.е. на шалость ученым) (рис. 5).

Хотя это не первая и не последняя попытка, создание робота-водомерки — это значимое событие в биомиметике — отрасли, заимствующей идеи, формы и структуры у живых организмов. Крайне полезно знание самого механизма движения. Если водомерка использует лапы как весла, это значительно облегчает задачу биомиметики, ведь заново «изобретать весло» нет необходимости. Анализ особенностей биомеханики движения водомерок позволил адаптировать их под современную технику.

Робот-водомерка благодаря своей минималистичной конструкции оказался достаточно легким для удержания на поверхностной пленке, а гребные движения, которые он осуществляет аналогичными «ногами-лопастями», обеспечили его эффективную подвижность [6]. Эти достижения биомиметики «прорубают окно» в ранее малоизученную область — движение в средах на границе раздела фаз. Кто знает, быть может, изучение физических принципов движения на границе раздела фаз поможет придумать эффективные способы перемещения исследовательских аппаратов на дальних планетах Солнечной системы — газовых гигантах, где, напротив, границы раздела фаз «размыты».

Фантазировать не вредно. Но гораздо полезнее применить имеющиеся знания не в фантастическом романе, а в повседневной жизни. Небольшие устройства, перемещающиеся по воде, отлично подошли бы для экомониторинга водоемов, в природоохранной отрасли, а в дальнейшем, может быть, и в утилизации отходов, загрязняющих водную поверхность. Кроме того, «тест-драйв» роботов-водомерок может позволить проверить ограничение размеров аппаратов, плавающих на поверхности, и оценить потенциал использования поверхностных сил в перемещении по воде.

Рекурсивная биомиметика

Для биомиметики самый важный вывод — это подтверждение теории. Практика — критерий истины. Создание роботов подтвердило догадки о физическом механизме локомоции водомерок, который был выдвинут в данной работе [6]. Какой-то получается замкнутый круг: изучаем живые организмы, чтобы сделать технический аналог, а его используем для установления того, что правильно их изучили. Невольно приходит в голову мысль, что точно так же, как физики не бывает без лирики, науки не бывает без «Сизифова труда». И все-таки биомиметика про другое. Напротив, такой тернистый путь показывает, что результаты подобных исследований взаимодополняют друг друга. Тот редкий случай, когда все, что сказано, будет использовано «за нас».

Заключение. На выставке Ван Гога

Все знают о творчестве Ван Гога, но мало кто задумывается, что каждое движение водомерки — репродукция его картин в незримом формате. Мир странный. Странным оказался и способ скольжения водомерок по водной глади. Казалось бы, при малых размерах и образе жизни, связанном с границей раздела фаз, логично ожидать использования преимущественно сил поверхностного натяжения. И все же более эффективной оказывается передача импульса через завихрения, создаваемые гребными движениями. Таким образом, они мало отличаются от активно плавающих водных клопов (Гребляки — Corixidae; Гладыши — Notonectidae) и ряда водных жуков (Жуки-плавунцы — Dytiscidae). Возникает вопрос, какие же преимущества дает жизнь на поверхности воды? Одно из них — возможность существовать без гидростатического органа, используя для поддержания положения в пространстве исключительно поверхностные силы. Второе преимущество скорее связано с образом жизни водомерок. Все известные водомерки — хищники и, как правило, они поедают летающих насекомых, застрявших «между жизнью и смертью» в поверхностной пленке воды. Не стоит забывать, что объекты биомиметики — не биороботы, а многозадачные живые организмы, и их необычные адаптации могут быть вызваны необходимостью в удовлетворении вполне обычных водомерочьих потребностей.

Литература

1. Thomas J. Henry Catalog of the Heteroptera, or True Bugs, of Canada and the Continental United States — CRC Press, 2019;
2. G. A. Mahadik, J. F. Hernandez-Sanchez, S. Arunachalam, A. Gallo, L. Cheng, et. al.. (2020). Superhydrophobicity and size reduction enabled Halobates (Insecta: Heteroptera, Gerridae) to colonize the open ocean. Sci Rep. 10;
3. J. W. Glasheen, T. A. McMahon. (1996). A hydrodynamic model of locomotion in the Basilisk Lizard. Nature. 380, 340-342;
4. Andersen N. (1976). A Comparative Study of Locomotion on the Water Surface in Semiaquatic Bugs (Insecta, Hemiptera, Gerromorpha). Palaearctic heteroptera. 139, 337–396;
5. Michelle Tseng, Locke Rowe. (1999). Sexual dimorphism and allometry in the giant water strider Gigantometra gigas. Can. J. Zool.. 77, 923-929;
6. David L. Hu, Brian Chan, John W. M. Bush. (2003). The hydrodynamics of water strider locomotion. Nature. 424, 663-666;
7. Denny M. Air and water: the biology and physics of life's media. Princeton University Press, 1993. — 360 p..