De oneindige spin

Hoe spinnenpoten werken

Laten we eerlijk zijn, spinnen worden door een grote meerderheid van de mensen over de hele wereld als griezelig beschouwd. Maar als je het ze vraagt, kunnen de meeste mensen niet echt benoemen wat ze zo griezelig vinden aan spinnen. Meestal beginnen de verklaringen met kraalogen, giftanden, beten, of het inpakken van hun prooi. Spinnenbewegingen staan ook bovenaan de lijst. s Nachts rennen ze rond (vooral als je het licht aan doet en ze wegrennen), ze springen en rennen in het algemeen op een “griezelige” manier. Maar wat maakt hun beweging nu zo vreemd en griezelig voor ons? Het antwoord ligt in twee belangrijke elementen van hun anatomie, hun skelet en spieren.

Lees eerst deze korte video van een wandelende spin, om je wat context te geven:

Spinnen zijn geleedpotigen, wat letterlijk betekent “met gewrichtspoten”. Net als alle geleedpotigen hebben ze geen botten of inwendig skelet. In plaats daarvan hebben ze een hard uitwendig skelet, exoskelet genaamd. Dit exoskelet is gemaakt van chitine, vergelijkbaar met onze vingernagels en haren. Het is supersterk en licht. Maar wat heeft dit te maken met hun griezelig coole bewegingen ? Spinnen hebben geen inwendige botten, wat betekent dat ze niet dezelfde spieren en aanhechtingen hebben als gewervelde dieren.

In het lichaam van gewervelde dieren, zoals de mens, zijn er drie soorten spieren. Dit zijn de hartspieren (hart), de viscerale spieren (inwendige organen) en de skeletspieren. De beenderen van ons skelet worden bewogen door spieren die rechtstreeks aan elk been vastzitten in antagonistische paren. Dit zijn buigspieren en strekspieren. De contractie van buigspieren zorgt ervoor dat een gewricht buigt (denk aan ‘je spier spannen’), terwijl strekspieren ervoor zorgen dat een gewricht opengaat. Flexoren en extensoren geven ons een soepele beweging in de beweging in onze spieren. Spinnen hebben deze zelfde beweging niet.

Mensen hebben maar één groot gewricht per ledemaat (knie, elleboog, enz.), maar spinnen hebben zeven gewrichten voor elke poot. Het gevolg van een exoskelet met meerdere gewrichten is dat spinnen niet de steun van botten hebben voor een flotilla van buig- en strekspieren. Er is niet genoeg ruimte in hun lichaam voor aanhechting, en zelfs als dat wel zo was, zouden al die spieren hen superzwaar en log maken. Bovendien zouden spinnen niet genoeg energie hebben om die spieren warm te houden (het is zwaar om een “koudbloedig” schepsel te zijn) noch genoeg zuurstof om een groot aantal spieren te onderhouden.

Als spinnen dus van nature hun ledematen naar binnen kunnen buigen, hoe kunnen ze dan hun poten naar buiten duwen om te rennen, springen en bewegen zonder strekspieren? Het antwoord is hydraulische druk. Het lichaam van een skelet is gevuld met een vloeistof die op bloed lijkt (hoewel wat anders), hemolymfe genaamd. Als je je herinnert dat spinnen maar twee lichaamsdelen hebben, het eerste is de vergroeide kop en het midden, een cephalothorax genoemd (#2 hieronder). Het andere is hun achterlijf (#3).

Alle acht spinnenpoten zijn met een goede reden aan de cephalothroax bevestigd. De uitgaande beweging van elke poot wordt geregeld door de cephalothroax, die de hydraulische beweging en druk hemolymfe regelt. Spinnen hebben geen strekspieren nodig omdat zij vloeistofbewegingen/hydraulica kunnen gebruiken om hun poten naar buiten te “duwen”. De cephalothorax werkt als een zeer fijn afgestelde, met vloeistof gevulde blaasbalg die hemolymfe in een fractie van een seconde rond het lichaam van de spin duwt. De buigspieren in de poten van de spin willen natuurlijk samentrekken, maar door de hydraulische druk kunnen de poten naar buiten bewegen en deze samentrekking weerstaan. Heb je ooit een dode spin gezien met alle acht poten omhoog gekruld? (ja, ik weet het, de meesten van jullie juichten) Dit komt omdat wanneer de spin sterft, de poten van nature samentrekken omdat de buigspieren geen hydrostatische weerstand bieden.

Denk niet dat spinnen, alleen omdat ze geen buigspieren en strekspieren hebben, niet efficiënt kunnen bewegen. Zoals de meesten van jullie weten, kunnen ze behoorlijk snel bewegen. Springspinnen (~1-20 mm lang) zouden in staat zijn om 30 tot 40 keer hun eigen lengte te springen!

Een van de redenen dat spinnen van nature schichtig en bang voor mensen (lees roofdieren) zijn, is dat ze vertrouwen op de hydrostatische druk in hun skelet. Als ze doorboord worden of een poot verliezen, lopen ze het risico hun druk te verliezen en letterlijk leeg te lopen. Bij sommige soorten zijn er controles of kleppen in hun poten om leeglopen te voorkomen, maar als ze genoeg hemolymfe verliezen, zouden ze zich niet kunnen bewegen. Hun hoofdlichaam is ook zeer kwetsbaar voor doorboring en zelfs de dood.

Het andere gevolg van het hebben van een exoskelet (waar al jullie arachnofoben dol op zullen zijn) is dat spinnen niet erg groot kunnen worden. Gedeeltelijk komt dat doordat deze hydraulica en hun aanverwante exoskeletten geen landdieren kunnen ondersteunen die erg groot zijn. Zie mijn post over “Killer 50 Foot Cockroaches” voor meer.

SPIDERS EN BIOMIMICRY

Zoals de vaste lezers van mijn blog weten ben ik dol op biomimicry, een tak van wetenschap en techniek die zich toelegt op het modelleren van oplossingen uit de natuur. De hydraulica van spinnen wordt momenteel bestudeerd door onderzoekers om te zien of ze robots kunnen maken die bewegen zoals spinnen dat doen. Als je mijn bericht over biomimicry en 3D-printers nog niet hebt gelezen, bekijk het dan hier.

Onderzoekers hebben momenteel een kleine robot gemaakt met behulp van een 3D-printer die hydraulica en pneumatiek gebruikt om te springen en te kruipen. Net als een echte spin worden de poten van de robot bestuurd door hydraulische pompen in het achterlijf van de machine. Voordat je helemaal gaat griezelen, denk eens aan de toepassingen van zo’n machine. Mensen zouden snel puin en afval in gebouwen kunnen doorzoeken, robotspinnen in gijzelingssituaties kunnen sturen, verstopte afvoerkanalen en riolen kunnen verkennen, gevaarlijke mijnen in kunnen gaan of grotten kunnen onderzoeken. De beweging van spinnen kan misschien griezelig lijken, maar er is geweldige technologie die ontwikkeld kan worden door spinnen na te bootsen.

SPIDER HYDRAULICS LESSONS

Het geweldige van spinnen, en hun beweging, is dat je lessen over biologie, anatomie, fysiologie, hydraulica en pneumatica kunt combineren in een engineering activiteit voor groep 5-8. Ik heb een les over hydraulische armen aangepast om over spinnen te leren. Het kan zo eenvoudig zijn als het gebruik van spuiten, water, ijslollystokjes, hete lijm, kralen, aquariumslang en ritssluitingen. Mijn favoriete site was “Easy Hydraulic Machines” van de Instructables website. Ze hebben stap voor stap instructies en een downloadbare PDF.

Voor mijn lessen begon ik met een korte les over de anatomie van spinnen, daarna over hydraulica en pneumatiek (met behulp van injectiespuiten en slangen). Vervolgens liet ik de leerlingen in groepjes werken en gaf ze materiaal, zonder bouwinstructies. Ik liet hen voorstellen doen voor een hydraulische arm, met inbegrip van de criteria en beperkingen van het project (en ja, dit is in overeenstemming met de Next Generation Science Standards). Ze moesten een ontwerp tekenen, materialen uitzoeken, een concept ontwikkelen van hoe de arm zou moeten werken en dan na goedkeuring de arm bouwen. Het kan twee of drie lesuren duren, afhankelijk van of je “til”-uitdagingen wilt hebben.

Hier is een korte video van de Instructables-website, die je wat ideeën geeft:

Het mooie van dit project is dat het ook thuis kan worden gedaan, voor thuisonderwijs, of gewoon voor de lol tijdens de vakantie. Je kunt zelfs hydraulische kits online kopen. Er komt geen eind aan de creativiteit!

Hoewel spinnen als griezelig kunnen worden beschouwd, zie ik ze als griezelig-cool. Ze bieden ons een schat aan informatie en kennis, van hoe ze een materiaal spinnen dat sterker is dan staalkabel, tot hoe ze zich voortbewegen. Hopelijk heb je nu ook meer respect voor de nederige spin, en laat je hem lekker zijn gang gaan.