Поиск
x
Журнал №190, июль 2019
Журнал №70, июнь–август 2019
Это новый сайт National Geographic Россия. Пока мы работаем в режиме бета-тестирования.
Если у вас возникли сложности при работе с сайтом, напишите нам: new-ng@yasno.media
Природа

По воде аки посуху

Андрей Журавлев
22 февраля 2013
/upload/iblock/4fe/4fe6f5fa88506cbe86ed1409a56b446f.jpg
Василиск преодолевает водные преграды по поверхности, шлепая лапами с частотой 8 герц – как промышленный вентилятор. Даже при выдержке 1/1600 секунды контуры лапок размыты.
Фото: Бенсе Мате
/upload/iblock/58c/58c63525628094f90dd3fa9821836ce6.jpg
Прудовый бегун «сушит весла» – свою среднюю пару лапок, с помощью которых этот клоп гребет, упираясь в пленку поверхностного натяжения.
Фото: Андриан Колотилин
/upload/iblock/86f/86f1523497b41e0e63171d2c7a95b13c.jpg
Лебедь-шипун, чья масса может достигать 15,7 килограмма, - самая большая птица, способная разгоняться по водной поверхности в авандельте Волги. Астраханская область.
Фото: Андрей Каменев
/upload/iblock/c18/c1883a55a5e14158de5e5843562ab2f5.jpg
Стая юных водомерок собралась на поверхности небольшого пруда в Кемеровской области, чтобы отобедать цикадкой, неосторожно сорвавшейся в воду.
Фото: Марина Харитонова. Источник: macroclub.ru
/upload/iblock/a16/a16810c079aeb315698ea8fcd797e63c.jpg
Быстрые движения хвостовым плавником, которые совершает дельфин-афалина, чтобы набрать скорость, помогают этой махине удержаться в вертикальном положении.
Фото: Photoshot/Vostock Photo
/upload/iblock/f7e/f7e3df6a905c2774292bc9ccc951a41e.jpg
Каемчатый охотник из семейства пауков-рыболовов вышел на охоту. Жертвы он выбирает по обе стороны водной поверхности: головастиков и мальков или упавших в воду насекомых.
Фото: GettyImages/Fotobank.ru
/upload/iblock/e03/e0314756198cb0df58fcd7cb71ce50be.jpg
Водомерка из канадской провинции Онтарио демонстрирует лунки, образовавшиеся на пленке поверхностного натяжения под кончиками ее лапок.
Фото: Анатолий Страйк. Источник: macroclub.ru
/upload/iblock/199/199821b35b58273b474c3c1b613dae94.jpg
Коллембола, или ногохвостка, – еще один водный пешеход: подтягивая хвост к носу, она сжимает пленку поверхностного натяжения, а затем резко распрямляется, и водная поверхность подбрасывает ее, как на батуте.
Фото: Андриан Колотилин
Водомерок, скользящих по водной глади, по-английски называют жучками Иисуса. Василиска, перебегающего реки по поверхности, – ящерицей Иисуса. Какие чудеса позволяют им и другим животным ходить по воде?
Страшный длинный клюв высунулся буквально из ниоткуда и пробил тело ничего не подозревающей жертвы. Две трубы проникли к ней под кожу: по одной потек убивающий и растворяющий все внутренности яд, по другой раскисшее убиенное тело всасывалось в чье-то ненасытное нутро, находящееся по ту сторону видимой реальности... Эта фантастическая картина на самом деле взята из самой, что ни на есть, жизни. Подобные сцены охоты наблюдаются сотни тысяч раз на дню, в тропиках – постоянно, в наших широтах – в теплое время года. Так охотятся клопы водомерки: сами хищники бегают по поверхности водоема, обычно озера, пруда, тихой речной заводи или небольшой лужи, а пищей им служат не только упавшие на воду насекомые, но и всякая водная мелочь, неосторожно подплывшая к границе раздела двух сред – жидкой и газообразной. Выйти сухим. Внутри длинного клювовидного хоботка у водомерок, как, впрочем, и других хищных клопов, спрятаны игловидные верхние и нижние челюсти. Добычу клоп прокалывает парой верхних челюстей, а нижние, смыкаясь, образуют два канала. По одному из них в тело жертвы впрыскивается слюна, а через другой, более широкий, – всасываются полупереваренные внутренности.
Водомерок обычно сравнивают с конькобежцами, но способов передвижения у них на самом деле два, и ни один из них на коньковый ход не похож.
Почти всю свою жизнь водомерки скользят по водной глади. Лишь в момент откладки яиц самка опускает хвостовую часть под воду, да миллиметровые личинки проводят в водной толще первые минуты своей жизни, но сразу, как можно скорее, неуклюже загребая лапками, рвутся к поверхности. И там, если их не съедят сородичи (увы, каннибализм – явление среди водомерок распространенное), будут расти и бегать до самых холодов, с приходом которых выберутся на берег и зазимуют во мху или под корой трухлявого пня. Водная гладь пруда с водомерками обманчива своей недвижностью: самцы этих насекомых создают поверхностные волны с частотой 35–45 герц, чтобы отпугнуть соперников со своего участка, или 2–5 герц – чтобы привлечь самок. Одни ухажеры обзаводятся единственной подругой, другие – считают своими женами всех самок, заплывших на их участок, третьи – всех, кого заметят по курсу движения. А то устраивают токовища, на которых выясняют, кто из них самый из самых. Добиваясь благосклонности избранницы, самцы проявляют завидную настойчивость и изобретательность. Бывает, свадьба для самки заканчивается и летальным исходом. Вот она и отбивается изо всех сил от ухажера, который ей еще и паразитов (клещей) норовит занести. Да и на поверхности с ним, пусть самец и мельче, устоять тяжелее. Потому она взбрыкивает, шипами его колет. Однако, как выяснили биофизики, уступить для самки все-таки проще, чем убежать. Определили они это по ее тяжелому дыханию, замерив количество поглощаемого кислорода и выделяемого углекислого газа. Водомерок обычно сравнивают с конькобежцами, но способов передвижения у них на самом деле два, и ни один из них на коньковый ход не похож. Клопики могут разгуливать по поверхности, попеременно опираясь на три лапки, как делают все наземные шестиножки. Только на воде, благодаря силам поверхностного натяжения, под каждой ножкой образуется упругая лунка, которая толкает опорную конечность обратно вверх, помогая водомерке шагать. Если же клоп удирает от хищника или, наоборот, спешит первым успеть к обеду, то он гребет с помощью средней пары конечностей. Именно гребет, разводя лапки в стороны и делая маховое движение «лопастями весел». Затем «сушит весла», вытянув ножки вдоль тела. Правда, мы на гребном судне погружаем лопасти весел в воду, а водомерки упираются своими лопастями в поверхность воды. Ведь эта пограничная среда представляет собой идеально ровную, пружинящую площадку. Конечно, не для всех, а для тех, кто ростом мал и почти невесом. Распространенные у нас рыжеватая водомерка и прудовый бегун изредка достигают длины 1,7 сантиметра; лишь вьетнамская гигантская водомерка в два раза больше (а с вытянутыми лапками и вовсе достигает почти 18 сантиметров). Впрочем, плотность тела даже у самых мелких из них превышает плотность воды. И все бы водомерки потонули, если бы не обзавелись множеством хитрых приспособлений, чтобы, будучи в воде, оставаться сухими. Доктор Ху и его робомерка. Особенности строения и передвижения обитателей пограничной среды в последние десять лет пристально изучал биомеханик Дейвид Ху из Лаборатории биолокомоции в Джорджийском технологическом институте на пару со своим руководителем Джоном Бушем из Массачусетского технологического института. Фамилия Ху созвучна имени главного героя английского телесериала, вот уже 50 лет идущего по всему миру, – гуманоида доктора Ху, который на машине времени, размещенной в обычном полицейском фургончике, путешествует по Вселенной и борется с клопоглазыми монстрами. Так во всяком случае сказано в анонсе фильма. Наш доктор Ху с помощью не менее сложного, чем пресловутая машина времени, оборудования, которое отчасти сам и изобретает, клопоглазых монстров исследует, а увиденным делится в научных публикациях и на своем сайте – Hoogle. Доктор Ху с профессором Бушем и разгадали парадокс нетонущей водомерки. Во-первых, внешний слой на шкурке насекомого состоит в основном из водоотталкивающих жиров. Во-вторых, если присмотреться в солнечный день к водомерке, то кажется, что вся она сияет. Даже лапки – будто не касаются воды, а покоятся на мерцающих сферах. Иллюзию создает покров из волосков на тельце клопика. На кончиках его задних лапок, которые упираются в водную поверхность и служат рулем, волоски растут особенно густо (до 16 тысяч штук на квадратный миллиметр) и под наклоном, поэтому между волосками образуется воздушная пазуха. Свой «мех» водомерки берегут: расчесывают его лапками. А чтобы в этот момент не упасть, опираются на антенны или на хоботок. Если волосики постоянно не расправлять, сразу утонешь. Каждый волосок сам по себе тоже не гладкий: по его поверхности сбегает спиральный желобок. А вода, благодаря все тем же силам поверхностного натяжения, не может просочиться в емкость всего 200 нанометров глубиной. Чтобы водяная капля растеклась по некой твердой поверхности, угол ее соприкосновения с поверхностью должен быть острым (менее 90 градусов), а угол ее соприкосновения с волоском водомерки из-за нанорельефа всегда остается тупым. Бывают же в природе случаи: чем тупее – тем лучше! Кстати, по показателю «поверхностной тупости» волосатые ножки водомерки занимают первое место – 168 градусов. (Для сравнения – данные по другим несмачиваемым материалам: лист лотоса – 160 градусов, перо утки – 150, тефлон – 120.) Благодаря строению лапок водомерка как бы зависает над водой на воздушной подушке. Но стоять – еще не плыть. Те же самые структуры, которые не дают водомерке утонуть, помогают ей грести. На средних ножках насекомого волосков меньше, а самые их кончики не имеют жировой защиты. Водомерка, расставив эту пару лапок, буквально протыкает поверхность водоема волосками и налегает на «весла», а желобки создают дополнительную опору. При гребке за лапками-веслами образуются микрозавихрения, которые и толкают клопика вперед. Скорость он развивает до 1,5 метра в секунду, или 5,4 километра в час. Вроде бы немного, но за секунду насекомое преодолевает расстояние в 100 длин собственного тельца. Человеку-пловцу среднего роста, чтобы сделать то же самое, пришлось бы разогнаться до 640 километров в час – скорость реактивного самолета! На скорости водомерка способна перепрыгивать через препятствия или выскакивать на берег. Однако все это возможно только в чистой воде: если пруд загрязнится, особенно мыльным раствором, сила поверхностного натяжения изменится, и все водомерки пойдут ко дну. Изучив это насекомое в деталях, доктор Ху создал из обычной алюминиевой банки, эластичного бинта и кусочков проволоки Robostrider – робомерку, которая бегает по водной поверхности, гребя средней парой проволочных лапок. «Насекомые вдохновляют нас на новые конструкторские решения и помогают постичь принципиальные ограничения различных способов передвижения по скорости и эффективности», – считает ученый. Химия жизни. Однако не все водомерки полагаются на силу своих мышц. Самые мелкие – мезовелии и микровелии – настоящие химики. Они выделяют из железы, расположенной в задней части тельца, капельки жироподобного вещества, которое, попадая в воду, снижает силу поверхностного натяжения. Позади насекомого пленка как бы «провисает» и, в соответствии с законами физики, водомерку утягивает в сторону сильнее «натянутой» поверхностной пленки, то есть вперед. Недавно физхимики во главе с Хуа Чинем из финского Университета Аальто вместе с израильскими коллегами разработали судно, ходящее по воде с помощью этилового спирта, который тоже влияет на поверхностное натяжение. Корпус судна построен из легкой наноцеллюлозной мембраны, позволяющей спирту просачиваться наружу из резервуара, расположенного в задней части, то есть на корме. «25 микролитров горючего достаточно, чтобы судно двигалось целый час со скоростью 2 сантиметра в секунду, – рассказывает один из участников проекта Робин Рас. – Весьма эффективно!» Остается добавить, что размер плавсредства пока ненамного превышает водомерку, взятую за образец. Мезо- и микровелиям, в отличие от более крупных собратьев, приходится решать еще одну проблему: как выйти на берег? Ведь благодаря все тем же силам поверхностного натяжения в месте контакта жидкости и твердого тела образуется мениск, который для всякого мелкого существа становится практически неприступным, крутым и скользким склоном. Большие водомерки это препятствие просто перепрыгивают, а мелкие вынуждены на него карабкаться. Правда, и здесь им на помощь приходят законы природы: под лапками насекомых на поверхности воды образуются небольшие лунки, которые благодаря капиллярным силам притягиваются друг к другу (словно пузырьки в игристом вине, благодаря чему хорошее шампанское пенится). Клопику остается только втыкать острые, втяжные как у кошки, коготки в водяной склон, и капиллярные силы, словно эскалатор, вытянут его на самый гребень. А жуки-вертячки в погожие дни ловко скользят по поверхности, загребая двумя задними парами лапок, на которых даже волоски превратились в дополнительные лопасти. В пасмурную погоду они предпочитают отсиживаться под водой. Передними длинными ножками вертячки хватают жертву, сообща нападая даже на крупных насекомых. Выслеживая добычу, жучки смотрят сразу и в воду, и поверх нее (глаза разделены вдоль перемычкой), но в основном – с помощью щетинистых антенн, лежащих на воде, улавливают волны, отраженные от других предметов. Эти волны они, постоянно двигаясь, сами и испускают. Лихие повороты насекомые закладывают, поочередно распрямляя ножки или надкрылья, что увеличивает лобовое сопротивление жука. Всего за секунду вертячка может совершить 12 полных оборотов вокруг своей оси. В период ухаживания «мужуки», словно городские пижоны на полугоночных «феррари», быстро разгоняются, резко разворачиваются под острым углом, а затем медленно проплывают мимо самки. «Жукщины» в это время выписывают на воде красивые архимедовы спирали. Шлепая лапами. Все водомерки, даже самые крупные из них, – существа довольно легкие на подъем. Может быть, поэтому они, почти единственные среди миллионов видов насекомых, освоили соленые океанские просторы. Морские водомерки никогда не выходят на сушу и даже яйца откладывают на плавающие предметы – перья птиц, скорлупу орехов. Эти существа нападают на добычу в сотню раз крупнее себя: высасывают жутко ядовитых сифонофор. Пауки-рыболовы также владеют искусством ходить по воде. Их масса не намного больше, чтобы создать им массу проблем: эти членистоногие, подобно водомеркам, способны шагать по водной глади или скользить по ней, загребая второй и третьей парой лапок. Паучье тельце тоже покрыто несмачиваемым слоем и густыми волосками. Но большая площадь тела позволяет паукам еще и парусить, дождавшись сильного порыва ветра и привстав на задних ножках. Кроме того, они умеют галопировать по водной глади: для этого пауку требуется с силой шлепнуть когтистой лапкой по поверхности, где на мгновение образуется пружинистая воздушная ямка, задняя стенка которой и толкнет лапку вместе с хозяином вперед – с силой, равной силе удара. Паук подскакивает вверх на 7 сантиметров и на полсекунды зависает в воздухе.
Самые крупные водоходцы – дельфины: при весе свыше 250 килограммов афалины умеют балансировать на водной поверхности, опираясь на хвостовой плавник.
Именно таким способом «шлепок – толчок – выход» передвигаются по водной глади и гораздо более крупные животные – от ящериц до лебедей и дельфинов. Вот только стоять на поверхности, подобно водомерке, никто из них не способен. Главное, чтобы в момент шлепка лапа-поршень опиралась на поверхность воды вертикально: так генерируется подъемная сила, а направляющий момент ей придает толчок от задней стенки ямки. Василиск не единственная ящерица, которая бегает по воде: то же умеют делать мелкие зеленые игуаны и анолисы, но лишь василиски занимаются этим от рождения, когда весят всего 2 грамма, до времени полукилограммовой зрелости. Они встают на задние лапы и развивают скорость до 5,76 километра в час. Мелкие стартуют прямо с воды, взрослые – с берега. Конечно, василиск мог бы спокойно бегать по суше или плавать, но от хищников проще всего смыться именно таким необычным способом... Птицам разбегаться по водной глади проще, чем ящерицам: крылья создают подъемную тягу. Поэтому пользуются этой возможностью многие водоплавающие с перепонками на лапах. Используют поверхность воды как взлетную полосу и такие пернатые, которые по суше передвигаются с трудом, например чомги. В отличие от уток и лебедей перепонкой у чомги снабжен каждый палец. Когда она разбегается, ее лапки похожи на копытца, которыми она и стучит по воде, быстро взмахивая крыльями. Магелланова утка-пароход летать совсем не умеет, но по воде все равно бегает! Крыльями она вращает, словно колесный пароход – отсюда и необычное название. Самые крупные водоходцы – дельфины: при весе свыше 250 килограммов афалины умеют балансировать на водной поверхности, опираясь на хвостовой плавник. Правда, скорость, подвластная этому морскому млекопитающему с длиной тела 2,7 метра, достигает 54 километров в час. Именно эти величины очень важны для подобного трюка: как вычислили биофизики, дельфин, по сути, решает задачу перевернутого маятника, а чем тот длиннее, тем проще удержать его в равновесии (как фокуснику длинную трость, а не огрызок карандаша.) Всего же «по воде аки посуху» передвигаются свыше 1,2 тысячи животных. А может ли ходить по воде человек? «Вполне, если у него на ногах вырастут прочные перепонки, а водная гладь будет покрывать планету, сила тяжести которой в 5 и более раз меньше земной, скажем, Европу – спутник Юпитера», – отвечает физиолог Альберто Минетти из Миланского университета. Или если он в три раза превысит рекорд Усэйна Болта на стометровке, для чего требуется в 15 раз усилить мускулатуру. Либо сравняется с Болтом по скорости, имея подошвы не менее 1 квадратного метра каждая... Не мудрено, что «...ученики, увидев Его идущего по морю, встревожились и говорили: это призрак; и от страха вскричали» (Матфей, 14:26).