Ящерица которая ползает по стеклу

Физика в мире животных: лапа геккона

Фото: Wikimedia

Гекконы — обитатели тропических и субтропических областей Старого и Нового Света. Эти ящерицы живут и на континентах, и на островах, ареал их распространения обширен. У гекконов есть одна особенность — они умеют удерживаться практически на любой поверхности. Вес тела животного удерживает даже одна лапа. Поверхность может быть любой — дерево, скальная порода, даже полированное стекло.

На способность геккона крепко держаться за что угодно обращали внимание еще древние греки. Аристотель пытался понять принцип закрепления лапы ящерицы, интересовались гекконами и средневековые ученые. Изучают их и в наше время. Есть несколько теорий, объясняющих выдающиеся способности этих ящериц в «альпинизме».

Присоски на пальцах. Одно из первых объяснений, которое выглядело вполне логичным. Правда, после изучения лапы геккона под микроскопом оказалось, что присосок на пальцах нет. К сожалению, миф о присосках живет и по сей день.

Электростатика. Еще одно правдоподобное объяснение, которое удалось опровергнуть (хотя есть и некоторые подтверждения этой теории, о них поговорим ниже), создав условия, при которых заряда на лапах геккона просто не могло быть. Животное все равно крепко держалось на гладкой поверхности.

Опровержение было получено еще в 30-х годах прошлого века. Немецкий ученый Вольф-Дитрих Деллит (Wolf-Dietrich Dellit) направил поток ионизированного воздуха в сторону лап геккона, который держался на металлической поверхности. Ионизация, по мнению Деллита, должна была нейтрализовать или значительно уменьшить силу сцепления лап с поверхностью, если бы механизм сцепления имел электрическую природу. Этого не произошло, поэтому был сделан вывод, что гекконы используют что-то еще.

Канадский ученый Александр Пенлидис считает, что этот эксперимент был некорректным. Дело в том, что контакт между лапами геккона и поверхностью чрезвычайно тесен, вследствие чего ионизированные молекулы просто не в состоянии проникнуть между сверхмалыми структурами лап и поверхности и нейтрализовать взаимодействие.

Сцепление лап геккона с неровностями поверхности. Это объяснение тоже не подходит, поскольку гекконы могут передвигаться по вертикальной поверхности из полированного стекла. Более того, они могут передвигаться и по потолку из того же материала.

Фото: wikipedia

С появлением электронного микроскопа лапу геккона удалось изучить во всех деталях. Как оказалось, она покрыта чрезвычайно тонкими щетинками, длина которых составляет до сотни микрометров. Концентрация щетинок на единицу площади поверхности лапы очень высока: более 14 000 волосков на 1 мм 2 . Каждая щетинка, в свою очередь, не является монолитным образованием, а делится на конце на 400-1000 еще более мелких волокон. Толщина таких волокон составляет 0,2 мкм. На 1 см 2 контакта с поверхностью приходится около 2 млрд волокон, каждое из которых к концу расширяется.

а. Лапка геккона б. «Подушечка» пальца геккона под микроскопом в. Одна из щетинок лапы геккона г. Она же, под бОльшим увеличением д. Максимальное увеличение щетинки (фото: somuchnews)

Американские ученые выяснили, что сила сцепления лапы геккона токи составляет 10 Ньютон на 1 см 2 . Такое сцепление возможно лишь для гладких поверхностей, где задействованы практически все волокна на лапах животного. Если речь идет о поверхностях, часто встречающихся в местах обитания гекконов — скалы, деревья, здесь задействована лишь часть волокон на лапах (в силу большого числа неровностей на этих поверхностях), но и этого достаточно для удержания животного на месте.

Как оказалось, микроскопические волоски на лапах геккона сцепляются с опорной поверхностью посредством ван-дер-ваальсовых сил. Ван-дер-ваальсовы силы — силы межмолекулярного (и межатомного) взаимодействия с энергией 10—20 кДж/моль. Основу ван-дер-ваальсовых сил составляют кулоновские силы взаимодействия между электронами и ядрами одной молекулы и ядрами и электронами другой. На определенном расстоянии между молекулами силы притяжения и отталкивания уравновешивают друг друга, и образуется устойчивая система. Именно такую систему и составляет лапа геккона с поверхностью, с которой она соприкасается.

Сложное строение лапы обеспечивает и еще одно ее свойство — гидрофобность. Лапа отталкивает воду и грязь, благодаря чему геккон может неплохо передвигаться и по влажным поверхностям.

Геккон без проблем открепляет лапу от поверхности, на которой она закреплена. Для этого используется специальный механизм. Дело в том, что прикрепившаяся к какому-либо материалу щетинка может без труда открепиться, если угол между волокном и поверхностью составит более 30°. При движении, изменяя угол соприкосновения лапы и поверхности, геккон без труда закрепляет и открепляет лапы. Затраты энергии на этот процесс минимальны.

Силы Ванд-дер-ваальса или что-то еще?

Два года назад канадский ученый Александр Пенлидис (Alexander Penlidis) решил самостоятельно изучить механизм прилипания лап геккона к поверхностям. Как оказалось, при соприкосновении лапы и поверхности возникает обмен электрическими зарядами. В итоге образуется положительный электростатический заряд у лапы и отрицательный — у поверхности.

Пенлидис ставил эксперимент с двумя типами полимерных поверхностей — тефлоном AF и полидиметилсилоксаном. Согласно выводам, сделанным ученым по результатам исследования, сила адгезии коррелировала с величиной электростатического заряда лапы и поверхности. А из этого следует, что именно электрический заряд играет главную роль в сцеплении лапы с поверхностями.

Исследование интересное, но оно не отвечает на важный вопрос — каким образом геккон держится на очень неровных поверхностях, где обеспечить адгезию с использованием электрического заряда гораздо сложнее, чем на ровной поверхности. Возможно, лапы геккона имеют двойной механизм сцепления — и силы ван-дер-ваальса, и электрический заряд.

Влияние воды

В подавляющем большинстве случаев ученые проводили эксперименты с гекконами в сухой среде. Ученые из Акронского университета решили проверить, насколько хорошо ящерица может перемещаться по увлажненным поверхностям. Как оказалось, если распылить на стеклянную пластину воду, то животное держится на такой поверхности гораздо хуже, чем на той же пластине без капель воды.

Тем не менее, удержаться на влажной поверхности геккону удается. Но если пластину погрузить на небольшую глубину в воду, а геккона снова поместить на пластину, то ящерица не может удержаться на поверхности в таких условиях. Если погрузить лапы геккона в воду на полтора часа, а затем посадить его на стекло, он соскальзывает, не в силах закрепиться.

По мнению Алиссы Старк (Alyssa Stark) из Акронского университета, это объясняется тем, что вода мешает силам ван-дер-ваальсового взаимодействия, и лапы геккона не могут закрепиться на поверхности.

Не только лапы

В механизме закрепления лап на поверхности участвует все тело геккона, утверждают ученые из Массачусетского университета в Амхерсте. Тело рептилии, по словам Альфреда Кросби (Alfred Crosby), играет роль пружины, которая прижимает лапы к поверхности. И чем больше масса тела геккона, тем сильнее эта пружина. Благодаря этому механизму в любой поверхности отлично держатся и крупные виды гекконов, а не только их мелкие родственники.

Несмотря на то, что Александр Пенлидис смог доказать влияние электрического заряда на адгезионную способность лап геккона, большинство специалистов поддерживают все же точку зрения о механизме сцепления на основе сил ван-дер-ваальса. Сейчас ученые пытаются объяснить еще одну интересную проблему — происхождение этого механизма в процессе эволюции.

Как гекконам удается бегать по стеклу

Уже давно люди были удивлены и зачарованы этой способностью. Не удивительно, что из-за этого возникли многочисленные мифы о гекконах. Интересно, что два из них совершенно противоположны. Согласно одному из них, животные почитались в качестве добрых домашних духов, приносящих счастье или плодородность, как токи (токей, Gekko gecko) в некоторых регионах Юго-Восточной Азии.

Согласно другому представлению, их боялись и считали ядовитыми, как, например, в Юго-Восточной Европе. Например, научное название Tarentola является производным от ядовитых тарантулов. Hemidactylus turcicus называется там Tarantella (тарантул). В некоторых областях Мадагаскара Uroplatus называют чертом. Если ранним утром находят уснувшего Uroplatus на одной из хижин, ее сжигают.

Многочисленные ученые пытались объяснить эту особенность гекконов. Но лишь Hiller (1968) смог с использованием электронного микроскопа исследовать микроструктуру прикрепительных ворсинок и затем с помощью опытов показать и объяснить функционирование прикрепительного механизма.

Ворсинки состоят, как и эпидермис, из отмерших кератиновых клеток и располагаются на прикрепительных подушечках плотно одна к другой, как волосы. При виде сверху прикрепительные ворсинки тянутся черепицеобразно через всю прикрепительную подушечку. При этом кончики отдельных ворсинок никогда не перекрываются предшествующими, а всегда оказываются свободными. Кончики прикрепительных ворсинок специфически изогнуты по направлению предплюсны животного.

Разнообразие пальцев гекконов позволяет провести их грубую классификацию по родам:

a) Anstelliger lar,

b) Gekko vitatus,

c) Cyrtodactylus brevipalmatus,

d) Oedura marmorata,

e) Pseudothecadactylus lindneri,

f) Hemidactylus garnotii.

Только при сильном увеличении под электронным микроскопом распознают их фактическое строение. Становится видно, что прикрепительные ворсинки с краю многократно расщеплены, причем расщепления заканчиваются не единообразно, а на различном расстоянии, где производится их последнее расчленение в оконечные структуры.

Эти оконечные структуры всего лишь 0,2 микрометра шириной. На конце все они имеют пластинчатое утолщение от 0,2 до 0,3 микрометра с легким углублением в середине. Оконечные пластинки находятся почти все на одном уровне, из-за изгиба ворсинок они расположены почти вертикально к продольной оси пальцев.

Вопрос в том, как гекконы прикрепляются и почему прикрепительные ворсинки имеют такое сложное строение? Ответ опытным путем нашел Hiller. При этом он наблюдал гекконов при их движении вверх по разным субстратам, имевшим различное поверхностное натяжение. Он твердо установил, что прикрепительные возможности геккона возрастали пропор-ционально к поверхностному натяжению, что значило, что прикрепительный механизм функционировал в соответствии с физическим принципом адгезии (сцепления).

Фотография лапки геккона. © Kellar Autumn, http://www.lclark.edu/

Адгезией называют прилипание различных тел друг к другу, как следствие молекулярного притяжения поверхностных молекул или атомов. Эти силы начинают действовать только лишь при тесном контакте. Действие силы адгезии обеспечивает сложное строение отдельных ворсинок. Только микроструктура позволяет гекконам установить тесный поверхностный контакт с субстратом, чтобы начала действовать сила притяжения. Таким образом, сила притяжения является суммой бесконечного количества мелких сил, которые начинают действовать при прикосновении окончаний прикрепительных ворсинок к субстрату.

Физическую природу прикрепительного механизма доказывает тот факт, что мертвые животные не теряют свою цепкость и остаются висеть даже на оконном стекле. Так как для простого висения на вертикальной поверхности не нужны затраты энергии, гекконы предпочитают спать в таком положении. Наконец, остается невыясненным вопрос, как гекконы применяют прикрепительный механизм и как они снова отцепляются от субстрата. Это обеспечивается сильной подвижностью ног животного.

Активное прикрепление производится с помощью захватывающего движения по направлению к субстрату, при котором прикрепительные ворсинки при сокращении мышц несколько выпрямляются и прижимаются к основанию. При этом прикрепительные ворсинки слегка изгибаются в форме литеры S, все только по направлению к предплюсне. Такое одинаковое положение всех прикрепительных подушечек обеспечивает действие прикрепительной силы только по направлению к предплюсне. Чтобы обеспечить действие этой силы по другим направлениям, пальцы животного распределяются почти равномерно вокруг ноги, обеспечивая геккону надежное крепление. Чтобы оторвать палец от субстрата, гекконы поднимают его спереди, что напоминает накатывание (раскатывание). Этот процесс протекает так быстро, что его очень сложно точно наблюдать. При приподнимании кончиков пальцев прикрепительные ворсинки постепенно освобождаются и действие адгезионной силы прекращается. После отделения от основания прикрепительные ворсинки приобретают свою первоначальную форму, и нога может быть передвинута и поставлена снова. Для того чтобы одновременно оторвать все кончики ворсинок, геккону понадобилось бы гораздо больше энергии, чем он располагает.

Прикрепительная сила некоторых видов гекконов невероятна и многократно превосходит вес их тела.

Подобные прикрепительные ворсинки или другие примитивные прикрепительные механизмы находятся еще на хвостах и на брюхе некоторых видов гекконов.

Уже в яйце прикрепительные ворсинки полностью развиты и защищены толстым слоем кожи, предотвращающим загрязнение прикрепительных пластинок при вылуплении детеныша. Через небольшой промежуток времени после вылупления детеныш линяет и приобретает в полном объеме способность к цепкости.

Подобные процессы наблюдаются после линьки и у взрослых животных. У них прикрепительная способность сразу после линьки самая сильная и постепенно уменьшается до следующей линьки из-за загрязнения прикрепительных ворсинок. Так как новая кожа окружает прикрепительные щетинки, она отрывается тяжелее, чем остальная кожа, и гекконы должны поддерживать процесс линьки с помощью активного сдирания старой кожи. Остатки кожи на ногах сильно снижают активность животного вплоть до того, что животные становятся не в состоянии самостоятельно ловить свой корм и поэтому умирают с голода. Часто остатки кожи на ногах свидетельствуют о заболевании или слабости соответствующего животного.

Вокруг прикрепительных подушечек находятся чувствительные клетки, которые закреплены исключительно на крайних чешуйках. У Tarentola mauritanica, например, размещены по 15 чувствительных клеток на каждой из этих чешуек. Чувствительные клетки служат органами чувств, с помощью которых гекконы реагируют, например, на жидкости или липкий субстрат поднятием пальцев, чтобы прикрепительные подушечки не загрязнялись. Чувствительные клетки дополнительно контролируют относительное расположение пальцев и процесс прикрепления.

Схематическое изображение прикрепительных ворсинок в процессе движения:

a) закрепление,

b) отделение

Биологическое значение возможности прикрепления заключается, в основном, в осваивании экологических ниш, полностью недоступных для других рептилий.

Например, большинство видов, имеющих прикрепительные подушечки, обитают на перпендикулярно расположенных поверхностях, таких как камни, древесные стволы, и даже на очень гладких пальмовых листьях. Там они могут уверенно прыгать и охотиться за добычей. Многие виды используют естественную защиту, которую дают вертикальные стены, в том числе и для спаривания. Прикрепительные подушечки обеспечивают развитие этих видов в непосредственной близости с человеком, так как они могут заселять голые потолки и стены домов.

Геккон токи: яркий, агрессивный и лазающий по стенам

Таблица: классификация геккона токи

Семейство гекконовых весьма обширное, его представители довольно разнообразны, но при этом каждый вид уникален по-своему. Токи среди всего этого многообразия занимает далеко не последнее место, напротив — это один из самых интересных и самых крупных гекконов.

Геккон токи (лат. Gekko gecko) — ящерица средних размеров из семейства гекконовых, главной особенностью которой является яркая окраска в сине-оранжевых тонах.

Описание

Длина тела этого ящера достигает 33-36 см, масса колеблется немного сильнее — от 150 до 300 гр. Туловище плотное, слегка приплюснутое сверху. Треугольная голова довольно крупная. Плотный хвост обычно достигает 40-45% длины дела. Короткие лапы широко расставлены по бокам, из-за чего создается впечатление, что Токи не ходит, а ползает, медленно волоча брюхо по земле. Да и вообще, при первом знакомстве ящерица кажется совсем уж медленной и неуклюжей. Однако это впечатление обманчиво. При надобности Токи становятся весьма проворными и с одинаковым успехом лазают по деревьям, бегают по земле и запросто взбираются на абсолютно гладкие вертикальные поверхности.

Днем токи, как правило, прячутся в укрытиях, но этот решил погреться на камешке.

Окраска гекконов токи может разительно отличаться у разных особей. Тело может быть окрашено в ярко-голубой, темно-синий, серый, светло-оливковый и в почти зеленый цвета. А вот узор всегда одинаков: он состоит из многочисленных оранжево-красных или белых пятен и точек по всему туловищу; на хвосте: из поперечных бело-черных колец у молодых особей и оранжево-красных колец у взрослых.

Глаза токи лишены век, поэтому животному часто приходиться удалять пыль и соринки, облизывая глаза длинным языком.

Удивительная способность или как токи лазают по стенам

Самая интересная способность гекконов, и токи в частности — возможность лазания по гладким вертикальным поверхностям (стекло, металл и др.). Первые натуралисты предполагали, что на кончиках пальцев у этих ящериц находятся микроскопические присоски. В действительности же оказалось, что на кончиках пальцев у них находятся видоизмененные чешуйки, состоящие из расположенных рядами микроскопических щеточек, которые в свою очередь состоят из еще меньших волосков. Чтобы представить насколько сложно все устроено приведем несколько цифр: количество щеточек на каждом пальце достигает 200 млн, количество волосков невозможно даже подсчитать, а чтобы все это рассмотреть ученым пришлось увеличить палец геккона токи в 35 000 раз! Если совсем просто, то лазить по стенам гекконам удается за счет того, что мельчайшие крючкообразные волоски цепляются за мельчайшие неровности поверхности.

Пальцы токи крупным планом.

Поведение и образ жизни

Гекконы токи ведут одиночный образ жизни. Территория, занимаемая одним ящером не велика: обычно это окружность с радиусом несколько десятков метров. Право на территорию самцы заявляют каждую ночь, издавая характерные довольно громкие звуки на манер «Ти Коо», из-за чего и получили свое название. Свое имя рептилии произносят до 10 раз подряд и сотни раз за ночь. Иногда, правда, это не помогает и отчаянные смельчаки вторгаются на чужие земли, — в таком случае драки не миновать.

На вертикальных поверхностях токи держаться не хуже насекомых.

В целом нрав токи агрессивен, соседей «одноплеменников» они не любят, а при встрече с крупными хищниками или человеком становятся в угрожающую стойку, раскрывают пасть и глухо шипят. При приближении противника шипение меняется на громкое кваканье, означающее готовность к бою. Тут нужно быть осторожным — у пресмыкающегося по-настоящему «бульдожья» хватка, разжать челюсти, не повредив их просто невозможно, а сам ящер отпустит жертву только когда будет думать, что она мертва.

Эти ящерицы очень агрессивны, часто они вступают в совершенно неравные схватки.

Активны токи ночью. Охотятся на крупных насекомых, беспозвоночных, мелких грызунов, лягушек, птенцов, иногда поедают мелких гекконов и других ящериц, под настроение могут полакомиться фруктами и овощами. В странах Азии люди часто специально впускают токи в свои дома, чтобы те занялись отловом насекомых.

Ареал

Гекконы токи обитают во влажных тропических лесах Юго-Восточной Азии и Океании: Филиппины, Таиланд, Новая Гвинея. В 20 веке были завезены в Северную Америку и на острова Карибского бассейна, где они отлично прижились.

Живут в дуплах деревьев.

Размножение

Брачный период начинается в конце зимы. Яйца самки откладывают в дуплах, прикрепляя их особым клейким секретом к неровностям древесины. В одной кладке 1-2 яйца, но за сезон самка спаривается до пяти раз с интервалом около 40 дней. В итоге стенки дупла нередко оказываются буквально усеянными яйцами и скорлупой, оставшейся с прошлых сезонов. Малыши вылупливаются примерно через 3 месяца и в скором времени покидают гнездо, иначе рискуют быть съеденными мамашей.

В природе гекконы токи живут около 7-8 лет, в неволе — до 25 лет.