Niekończący się pająk

Jak działają pajęcze nogi

Powiedzmy sobie szczerze, pająki są uważane za przerażające przez większość ludzi na całym świecie. Jednak kiedy ich zapytasz, większość z nich nie jest w stanie określić, co takiego jest w pająkach, że tak bardzo ich przerażają. Zazwyczaj wyjaśnienia zaczynają się od wyłupiastych oczu, kłów, ukąszeń lub owijania ofiary. Na szczycie listy znajduje się również ruch pająków. Skrzeczą i skradają się w nocy (zwłaszcza gdy zapalisz światło, a one się wyrywają), skaczą i ogólnie biegają w „przerażający” sposób. Ale co sprawia, że ich ruch jest dla nas naprawdę obcy i przerażający? Odpowiedź leży w dwóch kluczowych elementach ich anatomii, ich szkielecie i mięśniach.

Po pierwsze, sprawdź ten krótki filmik z chodzącym pająkiem, aby dać ci trochę kontekstu:

Pająki są stawonogami, co dosłownie oznacza „stawonogi”. Jak wszystkie stawonogi nie posiadają kości i szkieletu wewnętrznego. Zamiast tego mają twardy szkielet zewnętrzny zwany egzoszkieletem. Ten egzoszkielet wykonany jest z chityny, czegoś podobnego do naszych paznokci i włosów. Jest on bardzo wytrzymały i lekki. Ale jak to się ma do ich przerażająco fajnych ruchów? Pająki nie mają wewnętrznych kości, co oznacza, że nie mają takich samych mięśni i mocowań, jakie mają kręgowce.

W ciele kręgowców, takich jak ludzie, występują trzy rodzaje mięśni. Są to mięśnie sercowe (serca), trzewne (narządów wewnętrznych) oraz szkieletowe. Kości naszego szkieletu poruszane są przez mięśnie, które przyczepiają się bezpośrednio do każdej kości w antagonistycznych parach. Są to zginacze i rozciągacze. Skurcz mięśni zginaczy powoduje zgięcie stawu (pomyśl o „napinaniu mięśnia”), podczas gdy mięśnie prostowników powodują otwarcie stawu. Zginacze i prostowniki zapewniają nam płynność ruchów naszych mięśni. Pająki nie mają tego samego ruchu.

Ludzie mają tylko jeden główny staw na kończynę (kolano, łokieć, itp.), ale pająki mają siedem stawów na każdą nogę. Skutek posiadania wielostawowego egzoszkieletu jest taki, że pająki nie mają wsparcia kości dla flotylli zginaczy i rozciągaczy. W ich ciałach nie ma wystarczająco dużo miejsca, by je zamocować, a nawet gdyby było, wszystkie te mięśnie uczyniłyby je superciężkimi i ociężałymi. Na dodatek pająki nie miałyby wystarczająco dużo energii, aby utrzymać te mięśnie w cieple (to trudne być „zimnokrwistym” stworzeniem) ani wystarczająco dużo tlenu, aby utrzymać dużą liczbę mięśni.

Skoro więc pająki mogą naturalnie zginać kończyny do wewnątrz, to w jaki sposób wysuwają nogi na zewnątrz, żeby biegać, skakać i poruszać się bez prostowników? Odpowiedzią jest ciśnienie hydrauliczne. Ciało pająka wypełnione jest płynem podobnym do krwi (choć nieco innym), zwanym hemolimfą. Jeśli pamiętasz, pająki mają tylko dwie części ciała, pierwszą z nich jest połączona głowa i środek, zwana głowotułowiem (#2 poniżej). Druga to ich odwłok (#3).

Wszystkie osiem nóg pająka jest przymocowanych do głowotułowia nie bez powodu. Ruch każdej z nóg na zewnątrz jest kontrolowany przez głowotułów, który reguluje ruch hydrauliczny i ciśnienie hemolimfy. Pająki nie potrzebują mięśni prostowników, ponieważ do „wypychania” nóg mogą wykorzystywać ruchy płynów/hydraulikę. Głowotułów działa jak bardzo precyzyjnie dostrojony, wypełniony płynem miech, który w ułamku sekundy przepycha hemolimfę wokół ciała pająka. Mięśnie zginaczy odnóży pająka w naturalny sposób chcą się skurczyć, ale ciśnienie hydrauliczne pozwala odnóżom przesunąć się na zewnątrz i oprzeć się temu skurczowi. Czy widziałeś kiedyś martwego pająka z wszystkimi ośmioma nogami zwiniętymi w kłębek? (tak, wiem, większość z was kibicowała) Dzieje się tak dlatego, że kiedy pająk umiera, jego odnóża naturalnie się kurczą z powodu braku oporu hydrostatycznego mięśni zginaczy.

Nie myśl, że tylko dlatego, że pająki nie mają zestawów zginaczy i prostowników, nie mogą się sprawnie poruszać. Jak większość z Was wie, potrafią one poruszać się dość szybko. Uważa się, że pająki skaczące (~1-20 mm długości) są w stanie przeskoczyć od 30 do 40 razy więcej niż wynosi ich własna długość!

Jednym z powodów, dla których pająki są naturalnie płochliwe i boją się ludzi (czytaj drapieżników) jest to, że polegają na ciśnieniu hydrostatycznym w swoim szkielecie. Jeśli zostaną przebite lub stracą nogę, ryzykują utratę ciśnienia i dosłowną deflację. W niektórych gatunkach są kontrole lub zawory w nogach, aby zapobiec deflacji, ale jeśli stracą wystarczająco dużo hemolimfy, nie będą w stanie się poruszać. Ich główne ciało jest również bardzo podatne na przebicie, a nawet śmierć.

Innym skutkiem posiadania egzoszkieletu (który pokochają wszyscy arachnofobowie) jest to, że pająki nie mogą urosnąć do bardzo dużych rozmiarów. Po części dlatego, że hydraulika tej natury i ich przynależne egzoszkielety nie są w stanie utrzymać zwierząt lądowych, które są bardzo duże. Sprawdź mój post o „Zabójczych karaluchach 50-stopowych”, aby dowiedzieć się więcej.

PIDRY I BIOMIMIKRIA

Jak stali czytelnicy mojego bloga wiedzą, uwielbiam biomimikrę, dziedzinę nauki i inżynierii poświęconą modelowaniu rozwiązań z natury. Hydraulika pająków jest obecnie badana przez naukowców, aby sprawdzić, czy uda im się stworzyć roboty, które będą poruszać się tak, jak pająki. Jeśli nie czytałeś mojego wpisu na temat biomimikry i drukarek 3D, sprawdź go tutaj.

Obecnie naukowcy stworzyli małego robota, wykonanego z drukarki 3D, który wykorzystuje hydraulikę i pneumatykę do skakania i pełzania. Podobnie jak w przypadku prawdziwego pająka, nogi robota są kontrolowane przez pompy hydrauliczne znajdujące się w odwłoku maszyny. Zanim przejdą Cię ciarki, pomyśl o możliwościach zastosowania takiej maszyny. Ludzie mogliby szybko przeszukiwać gruzy i odłamki budynków, wysyłać pająki-roboty do wzięcia zakładników, przeszukiwać zatkane kanały ściekowe i ścieki, wchodzić do niebezpiecznych kopalni lub sondować jaskinie. Ruch pająków może wydawać ci się przerażający, ale istnieje wspaniała technologia, która może być rozwijana poprzez naśladowanie pająków.

LEKCJE O HYDRAULICE Pająków

Zabawną rzeczą związaną z pająkami i ich ruchem jest to, że możesz połączyć lekcje biologii, anatomii, fizjologii, hydrauliki i pneumatyki w zajęcia inżynierskie dla 5-8 klasy. Zmodyfikowałem lekcję o ramionach hydraulicznych, by uczyć o pająkach. Może to być tak proste, jak użycie strzykawki, wody, patyczków do ciastek, gorącego kleju, koralików, węża akwariowego i opasek zaciskowych. Moją ulubioną stroną była „Łatwe maszyny hydrauliczne” z witryny Instructables. Mają one instrukcje krok po kroku i plik PDF do pobrania.

Dla moich klas zacząłem od szybkiej lekcji na temat anatomii pająka, następnie hydrauliki i pneumatyki (używając strzykawek i węży). Następnie kazałem uczniom pracować w grupach i dałem im materiały, bez instrukcji budowy. Kazałem im wymyślić sugestie dotyczące ramienia hydraulicznego, w tym kryteria i ograniczenia projektu (i tak, to jest zgodne z Next Generation Science Standards). Musieli narysować projekt, wymyślić materiały, opracować koncepcję tego, jak ramię powinno działać, a następnie po zatwierdzeniu zbudować ramię. Może to zająć dwa lub trzy okresy lekcyjne, w zależności od tego, czy chcesz mieć wyzwania związane z „podnoszeniem”.

Tutaj jest krótki filmik ze strony Instructables, który daje ci kilka pomysłów:

Piękno tego projektu polega na tym, że może on być również wykonany w domu, dla szkoły domowej, lub po prostu dla zabawy w czasie wakacji. Można nawet kupić zestawy hydrauliczne online. Kreatywności nie ma końca!

Mimo że pająki mogą być uważane za przerażające, ja postrzegam je jako creepy-cool. Oferują nam bogactwo informacji i nauki, od tego jak przędą materiał, który jest mocniejszy niż stalowy kabel, do tego jak się poruszają. Mam nadzieję, że teraz i ty będziesz miał większy szacunek dla skromnego pająka i pozwolisz mu pełzać po swojej drodze.