Hvězdná noc v rybníku: Jak a proč vodní chodec maluje Van Goghovy obrazy?

Článek do soutěže “Bio/Mol/Text”: Hoblování, klouzání po vodní hladině vysokou rychlostí, je dnes nejúčinnějším způsobem rychlého pohybu po vodě. Má to ale i své stinné stránky. Je obtížné vstoupit do stavu hoblování. Dostat loď nebo start na požadovanou rychlost vyžaduje hodně paliva. Právě z tohoto důvodu je obtížné si představit suchou nákladní loď nebo tanker rychle letící vlnami ve stavu hoblování. Existuje ale ještě jeden způsob, jak klouzat po vodě bez potopení – využít její povrchové napětí. Nápadným příkladem jsou vodní stridery, které stejně jako bruslaři kloužou po nekonečné vodní hladině. Je ale tato technika opravdu tak jednoduchá? Jak to implementovat a přenést do technologie? Přečtěte si tento článek.

Soutěž “Bio/Mol/Text”-2024/2025

Tato práce byla zveřejněna v nominaci „Free Theme“ v soutěži „Bio/Mol/Text“-2024/2025. Generálním partnerem soutěže je mezinárodní inovativní biotechnologická společnost BIOCAD. Partner nominace – společnost skygen: přední distributor produktů pro přírodní věda na ruském trhu. „Knižním“ sponzorem soutěže je „Alpina Non-Fiction“

úvod

Jak moc je pro nás voda důležitá? To je zvláštní otázka se známou odpovědí. Voda je velmi důležitá. A jeho povrch? Rozhodně ano! První lidé na prvním voru, první cesty mezi kontinenty, první obchodní cesty. To vše díky vodě. A v moderním světě? Vzpomeňte si na vývoj letectví, kdy byl na hydroplány kladen obrovský důraz. Nebo rozsáhlé projekty lodí na vodních křídlech. Voda vždy byla a bude nejdůležitější dopravní tepnou pro naši planetu a tomu nelze uniknout. Na vodě se však dá nejen plavat, ale i klouzat! Každý viděl vodní chodce. Téměř každý rybník nebo jezero se hemží těmito malými bruslaři. Možná se je někdo dokonce pokusil chytit, ale nejspíš neúspěšně. Vodní striders dokážou dosáhnout velké rychlosti a jsou opravdovými profesionály v klouzání po vodě. Nabízí se otázka: na co tento hmyz „mezi nebem a vodou“ zapomněl? Odpověď je jednoduchá: vodníci (Gerridae) jsou čeledí dravých vodních brouků. Klíčové slovo je zde dravé. Vodní chodci, stejně jako pavouci, čekají, až jejich kořist spadne do vodní plochy a uvízne ve své „chytací síti“ – povrchovém filmu vody. Smrt pro uvízlý hmyz však nepřijde s kosou, ale „na bruslích“. Kvůli tomuto způsobu lovu žijí vodní chřipky, na rozdíl od mnoha jiných vodních a polovodních hmyzu, na povrchovém filmu a téměř se nikdy neponoří do vody [1]. Výjimkou jsou mořští vodníci rodu Halobáty, které mohou podstoupit nucené krátkodobé ponory v důsledku vln způsobených zuřícími živly [2].

Jak chodit po vodě?

Zvířata mají dvě hlavní technologie pro pohyb po hladině vody. Těžké, jako jsou ještěrky baziliškové, sprintují přes vodu, což jim umožňuje vyhnout se utonutí [3]. Menší, jako vodní strider, využívají povrchové napětí a kloužou po vodě (obr. 1) [4].

Potopí se velká skříň rychleji?

Ukázalo se, že existuje vztah: čím větší je velikost a hmotnost vodního cyklisty, tím delší jsou jeho nohy v poměru k tělu. Jen díky tomu vznikají takové obří druhy jako Gigantometra gigas, dosahující 20 centimetrů v „rozpětí nohou“ při délce těla pouhé čtyři centimetry (obr. 2) [5]. Důležitá je především délka nohou (konec chodidla), která zajišťuje kontakt s hladinou vody. Je to proto, že vodní striders plavou téměř výhradně kvůli síle generované zakřivením povrchového filmu a zvětšení povrchové plochy kontaktu může kompenzovat nárůst tělesné hmotnosti [6]. Zřejmě je to jeden z faktorů, který omezuje velikost vodních striderů. Proč je to tak důležité? Protože čím menší musí být velikost technologického analogu, tím obtížnější je jej navrhnout. Vědí, jak stát na vodě, ale není to obtížný úkol. Zajímavější je, jak vodní strider zvládá „chodit po vodě“.

Povrchový film, surfování a paradoxy

Ve světě vodních striderů je vše spojeno s povrchovým filmem. Dokonce i vlny. Když je velikost tak malá, že může plavat na vodním filmu, pak se obyčejná vlna změní na tsunami. Vodní chodci nezoufají: existují vlny, které mohou zachytit – kapilární vlny. Abychom tomuto jevu porozuměli, můžeme nakreslit analogii. Představte si obrovský buben. Udeříte do jeho středu, ozve se hromový zvuk a po povrchu bubnu se rozběhnou vlny. Povrchový film je tedy stejný „buben“ a podél něj běží stejné vlny, které lze pozorovat ve formě vlnění větru nebo dešťových kapek. Pohyb nohou vodníka, stejně jako údery paliček, podporuje tvorbu kapilárních vln. Věřilo se, že vodní chodci klouzali po těchto vlnách jako surfaři [4], [7]. Aby však k pohybu skutečně došlo, musí se vodní strider snažit. Pokud pohyb tlapek není dostatečně rychlý, povrchové napětí zcela vyrovná impuls a kapilární vlna se nevytvoří. Rychlost pohybu nohou vodníka by neměla být menší než 0,23 m/s (minimální rychlost povrchových kapilárních vln). Biolog Mark Denny svého času spočítal, že novorození vodní strideri nemají dostatečnou rychlost nohou. To znamená, že by neměli umět plavat, což je v rozporu s pozorováním v přírodě. Vždy se najde moucha. Spolu s Dennyho teoretickými výpočty se tak zrodil jeho osobní paradox [7].

Co je na technice mistrů světa ve veslování tak dobrého?

Jedním z faktorů úspěšného „běhání po vodě“ je síla, kterou vodní strider působí na hladinu vody při odrážení. Tato síla je blízká, ale nepřekračuje kritickou sílu, při které vodní stříkačka prorazí povrchový film. Vodní chodci tak zvládají běžeckou metodu baziliškových ještěrek, ale bez „sezení v louži“. Abychom porozuměli mechanismu kopů vodního stridera, je nutné studovat odezvu kapaliny, stanovit a pozorovat povahu jejích toků. Zde nastává problém. Voda je průhledná a bezbarvá. K vyřešení tohoto problému byla použita barviva, která umožnila vizualizaci procesu. Podle výsledků dospělí vodní strideri vytvářeli kapilární vlny, ale jejich podíl na přenosu impulsu byl zanedbatelný [6]. Již v této fázi můžeme říci, že vodní strideři úspěšně obcházejí Dennyho paradox pomocí speciálního hydrodynamického přístupu. Ukázalo se, že při pohybu vodních striderů vznikají rytmické polokulovité víry, které je ženou dopředu. Ano, popis je složitý, ale podívejte se, jak krásně vypadá vizuálně (obr. 4). Tento vzor na vodní hladině nám říká, že víry jsou vytvářeny veslařskými pohyby nohou a nejsou závislé na kapilárních vlnách. Nohy fungují jako vesla a tlapky fungují jako jejich čepele. Ukazuje se, že vodní cyklista „neběží po vodě“, „neklouže“, ale „soutěží v akademickém veslování“. Navíc se takové víry vyskytují jak u dospělých jedinců, tak u nově vylíhnutých nymf. Tato pozorování nechávají Dennyho paradox v minulosti. V barevném řešení se víry vodních chodců podobají Van Goghovým mistrovským dílům a potvrzují, že fyzika nemůže existovat bez textů. Můžeme po tomto považovat vodní strider za obyčejnou rychlobruslařku, nebo je čas dát jí krasobruslařskou medaili?

Broučí robot? Možná by byl lepší vodoměrný robot?

Před časem byli populární hračkoví roboti vyrobení podle obrazu a podoby různého hmyzu. Robotickými brouky dnes už nikoho nepřekvapíte, ale robotický vodní strider mezi nimi jednoznačně vyčnívá a nebyl vyroben pro komerční účely, aby děti žertovaly, ale pro vědecké účely (tj. hrát si na vědce) (obr. 5). Ačkoli to není ani první, ani poslední pokus, vytvoření vodního strider robota je významnou událostí v biomimetice, oboru, který si vypůjčuje nápady, formy a struktury od živých organismů. Znalost samotného mechanismu pohybu je nesmírně užitečná. Pokud vodní strider používá své tlapky jako vesla, výrazně to zjednodušuje úlohu biomimetiky, protože není třeba „znovu vynalézat veslo“. Analýza biomechanických vlastností pohybu vodních striderů umožnila jejich přizpůsobení moderním technologiím. Robot vodního stridera se díky svému minimalistickému designu ukázal být dostatečně lehký, aby zůstal na povrchu filmu, a veslovací pohyby, které provádí s podobnými „pádlovými nohami“, zajistily jeho efektivní mobilitu [6]. Tyto úspěchy biomimetiky „vyřezávají okno“ do dříve málo prozkoumané oblasti – pohybu v médiích na rozhraní. Kdo ví, třeba studium fyzikálních principů pohybu na fázové hranici pomůže přijít na efektivní způsoby pohybu výzkumných vozidel na vnějších planetách Sluneční soustavy – plynných obrech, kde jsou naopak fázové hranice „rozmazané“. Fantazírování není na škodu. Mnohem užitečnější je ale aplikovat stávající znalosti nikoli ve sci-fi románu, ale v každodenním životě. Malá zařízení pohybující se vodou by byla ideální pro environmentální monitoring vodních ploch, v průmyslu ochrany životního prostředí a v budoucnu možná i při likvidaci odpadů znečišťujících vodní hladinu. Kromě toho by nám „zkušební jízda“ vodních striderových robotů mohla umožnit otestovat omezení velikosti zařízení plovoucích na povrchu a posoudit potenciál využití povrchových sil k pohybu vodou.

Rekurzivní biomimetika

Pro biomimetiku je nejdůležitějším závěrem potvrzení teorie. Praxe je kritériem pravdy. Vytvoření robotů potvrdilo předpoklady o fyzikálním mechanismu lokomoce vodních cyklistů, které byly předloženy v této práci [6]. Ukazuje se, že je to začarovaný kruh: studujeme živé organismy, abychom vytvořili technickou analogii, a používáme to, abychom zjistili, že jsme je studovali správně. Mimovolně mi přichází na mysl myšlenka, že stejně jako neexistuje fyzika bez textů, není ani věda bez „sísyfovské práce“. A přesto je biomimetika o něčem jiném. Naopak taková trnitá cesta ukazuje, že výsledky takových studií se vzájemně doplňují. Toto je vzácný případ, kdy vše, co je řečeno, bude použito „pro nás“.

Závěr. Na Van Goghově výstavě

Každý ví o díle Van Gogha, ale málokdo si myslí, že každý pohyb vodního chodce je reprodukcí jeho obrazů v neviditelném formátu. Svět je zvláštní. Zvláštním se ukázal i způsob, jakým vodní strider klouže po vodní hladině. Zdálo by se, že vzhledem k malé velikosti a životnímu stylu spojenému s fázovým rozhraním by bylo logické očekávat použití převážně povrchových napěťových sil. Přenos hybnosti přes víry vytvářené veslovacím pohybem se však ukazuje jako efektivnější. Jen málo se tedy liší od aktivně plavejících vodních ploštic (Corixidae; Notonectidae) a řady vodních brouků (Dytiscidae). Nabízí se otázka, jaké jsou výhody života na vodní hladině? Jednou z nich je schopnost existovat bez hydrostatického orgánu, s využitím pouze povrchových sil k udržení pozice v prostoru. Druhá výhoda souvisí spíše s životním stylem vodních cyklistů. Všichni známí vodní jezdci jsou predátoři a zpravidla jedí létající hmyz uvíznutý „mezi životem a smrtí“ v povrchovém filmu vody. Stojí za to připomenout, že biomimetické objekty nejsou bioroboty, ale multitaskingové živé organismy a jejich neobvyklé úpravy mohou být způsobeny potřebou uspokojit zcela běžné vodní potřeby.

Literatura

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). Superhydrofobicita a zmenšení velikosti umožnily Halobates (Insecta: Heteroptera, Gerridae) kolonizovat otevřený oceán. Sci Rep. 10;
3. JW Glasheen, TA McMahon. (1996). Hydrodynamický model lokomoce u ještěrky baziliškové. Příroda. 380340-342;
4. Andersen N. (1976). Srovnávací studie pohybu na vodní hladině u semiakvatických brouků (Insecta, Hemiptera, Gerromorpha). Palearktická heteroptera. 139, 337-396;
5. Michelle Tseng, Locke Rowe. (1999). Sexuální dimorfismus a alometrie u obřího vodního stridera Gigantometra gigas. Může. J. Zool.. 77923-929;
6. David L. Hu, Brian Chan, John W. M. Bush. (2003). Hydrodynamika lokomoce vodních jezdců. Příroda. 424663-666;
7. Denny M. Vzduch a voda: biologie a fyzika životních médií. Princeton University Press, 1993. — 360 s..

Velmi často na břehu rybníka najdete malý a velmi zajímavý hmyz. Jemně klouže vodou, rychle se pohybuje z místa na místo a díky dlouhým nohám vypadá jako pavouk. Kdysi se dokonce věřilo, že tento podivuhodný tvor nechodí jen tak po vodních plochách, ale údajně vodu cíleně měří, odtud také známý název – vodní chodec. Jak vypadá štěnice vodní?

Na celém světě existuje asi 700 druhů vodních jezdců. Podle standardního schématu se od sebe liší barvou, vzhledem a životním stylem. Některé z nich jsou zcela neškodné a nejsou schopny způsobit ani sebemenší újmu, zatímco jiné jsou úplným opakem. Vizuálně štěnice připomínají malou tyčinku dlouhou až 30 mm. Barva se liší od šedé po tmavě hnědou. Unikátním rysem tohoto druhu jsou tři páry nohou různé délky. Přední tlapky plní nejdůležitější funkce – zachycují kořist a řídí rychlost pohybu, zadní tlapky volí směr pohybu a otáčení, pomáhají skákat a střední se prostě účastní obecného procesu chůze.

Tato klasifikace štěnic je také charakterizována malou hlavou a ústním aparátem v podobě piercing-sacího sosáku. Díky tomu hmyz snadno vysává obsah těla své oběti, čímž si zachovává svůj vlastní život. Neméně zajímavými prvky jsou citlivá tykadla, fungující jako orgány čichu a hmatu. Velké kulovité oči jsou důkazem vynikajícího vidění, s jehož pomocí nemůže budoucí kořist zůstat bez povšimnutí ani na největší vzdálenost.

Je pozoruhodné, že jen málo jedinců má tenká šupinatá křídla. To jim umožňuje pohybovat se během sucha na krátké vzdálenosti, aby dále hledali potravu, a dočasně osídlili louže a nové vodní plochy. Tyto druhy brouků však nerady létají a ve skutečnosti tak činí velmi zřídka. Ostatní zástupci jsou bezkřídlí. Žijí celý svůj život ve vodách jednoho území a nikdy neopustí své obvyklé místo. Jaké biologické vlastnosti vodních jezdců byste měli znát jako první?

Životní cyklus vodníka je pro hmyz docela působivý – jeden rok. Doslova 1,5 měsíce po snesení vajíčka se narodí dospělý, plně vyvinutý jedinec. Larvy mají zase velkou podobnost se starší generací, liší se od nich pouze kratším a dokonce mírně naběhlým tělem.

Ale pojďme se bavit o tom nejzajímavějším. Přemýšleli jste někdy nad tím, proč se tito vodní brouci nikdy neutopí? Jak se udrží klidně na hladině a co tuto superschopnost těla způsobuje? Ve skutečnosti je vše velmi jednoduché: k takovým procesům dochází, protože břicho a nohy hmyzu jsou pokryty speciálními klky a vrstvou mastného filmu. Zachycují vzduchové bubliny a působí jako záchranář života. Síla povrchového napětí umožňuje široce rozmístěným chlupatým nohám zůstat na hladině, čímž zcela eliminuje možnost utonutí.

Nejzajímavější je, že štěnice, které svým vzhledem baví mnoho lidí, mají tři zástupce svého druhu, nejznámější na světě. Patří mezi ně velký vodní nájezdník, pomalu se pohybující tyčový vodní nájezdník a vodní rýhovač. Největší druhy, které loví malé ryby, najdeme pouze v tropech.

Vodní chrobák a jeho životní styl

Stojaté vodní plochy a řeky s klidným proudem jsou ideálním místem pro život vodních jezdců. A vezmeme-li v úvahu fakt, že jejich dlouhé nohy jim umožňují obratně se pohybovat nejen ve vodě, ale i na souši, pak se automaticky aktivuje další výsada: možnost žít u vody a čekat na svou kořist.

V zimě se svou aktivitou nemůže pochlubit žádný z reprezentantů. Všichni hibernují a usadí se poblíž své rodné nádrže. Také během tohoto období svaly zodpovědné za zvedání křídel atrofují (to platí pouze pro některé jedince), křídla samotná odpadávají a hmyz, jak jistě chápete, se stává bezkřídlým.

Významnou část stravy štěnic tvoří bezobratlí, drobný hmyz a rybí potěr. Houževnaté přední tlapy oběť rychle uchopí a přidrží, ostrý proboscis vstříkne paralyzující a tkáň rozkládající látky, poté je veškerý výsledný obsah nasát. Je pozoruhodné, že larvy se živí stejným způsobem a vědci tuto vlastnost porovnávají s principem lovu pavouků.

Neméně zajímavý je i proces rozmnožování vodních striderů. Samec, který začíná aktivně jednat, vyšplhá na samici v naději, že uskuteční svůj plán. A zde se může potýkat s problémem: samice nadcházející páření prostě odmítne, na což má samec vždy připravený jeden malý trik. Začne aktivně mlátit tlapkami do vody a zvukovými vlnami přitahovat nebezpečné predátory. Samozřejmě, že to svéhlavou ženu vyděsí a velmi rychle změní názor a souhlasí s kontaktem. Jsou vodní jezdci nebezpeční pro člověka?

Vodní strideri naštěstí nepředstavují žádné nebezpečí pro lidské zdraví. Přestože se v historii vyskytly případy, kdy hmyz v pocitu ohrožení pokousal lidi, rozhodně není třeba se toho obávat. Za prvé se to stává velmi zřídka a za druhé, nejedná se o kousnutí vodního stridera, bolesti jsou podobné slabé injekci a nebolí, nesvědí a nevyžadují extrémně složitou léčbu. Kromě toho můžete bezpečně plavat v nádržích, kde tento hmyz žije, bez obav o vlastní bezpečnost.