В детской исследовательской работе по биологии на тему "По потолку" автор выясняет, как нам использовать приспособления животных (мухи и геккона) в практической жизни. Мы только начинаем учиться у природы карабкаться по стенам - когда и каким образом это стало возможно, и каковы перспективы развития данного направления.

Подробнее о работе

В ученической исследовательской работе по биологии на тему "По потолку" собрана и проанализирована научная литература по изучаемому вопросу, рассмотрены некоторые функции мух и гекконов, дано развернутое описание того, какие приспособления, задуманные природой, позволяют им карабкаться по стенам и ходить по потолку, и для чего это было необходимо.

Данный индивидуальный проект по биологии на тему "Муха и геккон по потолку" направлен на развитие у людей внимательности и любопытства, способности находить даже в самых привычных вещах новое, потому что люди часто не замечают, что происходит вокруг. В работе была выявлена причина способности насекомых и гекконов к прилипанию и изучен вопрос о практическом применении этих принципов, установлено, в какой сфере человеческой деятельности такие навыки могли быть полезными.

Оглавление

Введение   
1. Основная часть исследовательской работы.        
2. Муха и геккон — учителя инженеров.        
3. Как они это делают?
4. От мухи до геккона.         
5. Попытка объять необъятное.    
6. Как увидеть невидимое.   
Заключение        
Используемая литература   
Приложения      

Актуальность темы исследования: данная тема актуальна в связи с нехваткой знаний о вопросе, как нам использовать приспособления животных в практической жизни. Мы только начинаем учиться у природы карабкаться по стенам.

Проблема исследовательского проекта: моя работа направлена на развитие у людей внимательность и любопытства, способность находить даже в самых привычных вещах новое, потому что люди часто не замечают, что происходит вокруг. Автор изучила особенности строения мух и гекконов, установила причину их способности к прилипанию, установила сферы деятельности человека, в которых бы мог пригодиться подобный навык.

Объект исследования: насекомые, пауки и гекконы.

Предмет исследования: свойство животных взбираться по стенам и потолку.

Цель исследовательской работы: проанализировать результаты исследований силы адгезии у стенолазов

Задачи исследовательской работы

1. Собрать имеющуюся в интернете информация по теме
2. Изучить строение данных особей
3. Выявить причину их способности к прилипанию
4. Узнать о практическом применении изученных принципов

Гипотеза (предположение): если эти приспособления помогают выжить насекомым и гекконам, то они могут и нам пригодиться.

Основные этапы работы, организация

Методы исследования:

• изучение и обобщение научной литературы
• сравнение
• моделирование
• дедукция

Теоретическая значимость работы: теоретическая значимость моей исследовательской работы заключается в том, что результаты исследования могут быть использованы в скафандрах космонавтов для полётов в невесомости, создании сверх клейкого многоразового вещества  или просто рассказать людям что-то новое и интересное.

Мы так привыкли к некоторым будничным чудесам живой природы, знакомым нам с детства, что они нас не удивляют, а порой вызывают досаду. Вот скажите, что вы чувствуете при виде мухи на окне или на потолке? Или таракана, шустро взбегающего к нам на стол? В XXI веке мы уже вполне готовы к тому, чтобы задуматься над очередным «детским» вопросом: а как, собственно, они это делают?

Первопроходцы потолка. Группа биоников под руководством Станислава Горба из Зоологического института Кильского университета (Германия) в сотрудничестве с фирмой «Binder» разработали и испытали адгезивный материал, базирующийся на принципах, описанных в статье(1).

Понятно, что они намного легче нас с вами, но закон всемирного тяготения даже для них никто не отменял. Вы скажете, что потолок шершавый и они цепляются за его неровности. А если потолок — скользкий пластик? Окно в любом случае сделано из гладкого стекла, ножка стола — из стали, никакие коготки в них не вонзишь. Между тем они без видимых усилий справляются с задачей на поверхностях из любых материалов. Они не ждут милостей от природы, а берут их в свои руки, точнее — в лапки.

Понятно, что им помог естественный отбор, и в ходе борьбы за существование самые разные виды пришли к лучшим, а потому, возможно, даже универсальным решениям, основанным на общих силах природы. Однако с разнообразием сил у природы негусто. Если отбросить вряд ли пригодные для этого случая ядерные и слабые взаимодействия, остается старый добрый электромагнетизм.

Человек — мера всех вещей, даже в этом вопросе. Это существо, способное поднять примерно свой вес. Более мелкие существа могут поднять больше (относительно своего веса, конечно). Во всех случаях ситуация определятся соотношением между силой тяжести, пропорциональной массе тела, и силой мышц, пропорциональной сечению. Но одно дело — поднимать груз, равный своему весу, стоя на ногах, и другое — держать себя на весу. Кроме силы мышц, в этом случае нужно еще и собственно притяжение к потолку (или стене).

Хотя животное и потолок не заряжены, нужная сила все-таки есть, и она имеет ту же электромагнитную природу. Это — так называемая сила Ван-дер-Ваальса, или сила адгезии(2).

При соприкосновении двух поверхностей атомы и молекулы их поляризуются. Электронные облака перераспределяются так, что ближе к области контакта оказываются небольшие области, заряженные по-разному для каждого из соприкасающихся тел. И тела слегка притягиваются. Эта обусловленная поляризацией сила слаба по сравнению с притяжением макроскопически заряженных тел и быстро (как минус седьмая степень) спадает с расстоянием. Но она есть практически всегда и, по правде, не так уж и мала.

Ее слабость отчасти иллюзорна и связана с тем, что поверхности почти всегда шершавы, их реальный контакт неполон, а расстояния между неконтактирующими фрагментами поверхностей больше характерного радиуса взаимодействия. Поэтому суммарная сила этого притяжения обычно невелика. Но если бы контакт был полным, то на стержне диаметром в 1 см, просто приставленном торцом к потолку без всякого крепления, можно было бы подвесить автомобиль! Этот удивительный факт имеет специальное название — «адгезионный парадокс» (рис. 3).

Только представьте себе жизнь в таком мире, где не только маленькие животные, но и мы сами могли бы ходить, прилипая к потолку. Правда, липли бы мы не только к нему, но и к стенам, и к стульям... Еще вопрос, было ли бы нам комфортно в таком мире. Хотя, наверное, что-то подобное могло бы пригодиться космонавтам в невесомости.

Прижался к поверхности нужной частью скафандра — прилип, оттолкнулся другими его частями — поплыл дальше. Хорошо бы иметь возможность включать сильную адгезию и управлять ею по своему усмотрению. Интересно, что даже примерно понятно, как это сделать: надо научиться изменять область реального контакта, как это, по-видимому, делают животные. Перед нами снова встает все тот же «детский» вопрос. Только теперь в более конкретной форме.

Понятно, что у них есть два пути: или поменять свойства поверхностей (хотя бы лапок) на время контакта, или увеличить область реального контакта с шершавой поверхностью, а потом уменьшить ее, или скомбинировать и то, и другое. К первому способу чаще прибегают мелкие животные, например насекомые. Они изменяют контактные свойства своих лапок простым, но вполне надежным способом — выделяя капельки жидкости.

Эти капельки налипают на обе поверхности, заполняя пустоты между ними и образуя жидкие мостики между выступами, которые усиливают притяжение. Однако у этого способа есть очевидные недостатки. Во-первых, жидкость надо постоянно выделять, расплачиваясь за это ресурсами организма.

Во-вторых, эта жидкость оставляет следы, а если мы хотим создавать искусственные системы для практического применения, то чем меньше следов, тем лучше. Наконец, способ не работает на поверхностях, которые впитывают капельки жидкости. Заметим, что некоторые растения даже научились создавать именно такие поверхности. Делают они это как минимум с двумя целями: чтобы не позволить нежелательным насекомым садиться на них либо, наоборот, не дать насекомому выбраться из ловушки.

Куда перспективнее в плане создания практичных и универсальных адгезивов прямое использование сил Ван-дер-Ваальса. Тогда надо выяснить, как увеличить область контакта, то есть посмотреть, как это сделано в живой природе. Под микроскопом у животных, принадлежащих к самым разным видам, обнаруживаются качественно похожие структуры — ворсинки, заканчивающиеся небольшими пластиночками (рис. 4). Гибкие ворсинки могут пристраиваться к неровностям рельефа, компенсируя тем самым его неоднородности и увеличивая площадь реального контакта. Решение поразительно простое по идее и, похоже, на редкость универсальное.

Однако животные не равны по массе, и их размеры различаются иногда на несколько порядков. Решение напрашивается само собой: чем крупнее животное, тем большая сила нужна и тем большей доли поверхности в контакте надо достигнуть. А значит, тем мельче должны быть описанные структуры и тем больше нужно ворсинок на единицу площади.

Оказывается, так оно и есть: чем крупнее животное, тем больше у него ворсинок и тем мельче они сами. Из способных ходить по потолку на границе размеров находится геккон. Это — уже иногда довольно крупная, до трети метра длиной, ящерица. Те, кто бывал в южных странах, знают, что когда, все-таки не удержавшись, она плюхается с потолка, то от испуга пускаются наутек в разные стороны и она, и наблюдатель.

Предыдущие исследования показали, что гекконы не пользуются клейкими веществами или присосками. За эти подвиги несёт ответственность ван-дер-ваальсово взаимодействие между микроскопическими белковыми щетинками на подушечках лап гекконов и поверхностью, за которую они цепляются, игнорируя силу тяжести.

Однако исследователи из Университета Акрона (США) заметили, что в следах геккона что-то есть. Анализ остатков показал, что они состоят в основном из фосфолипидов с фосфохолиновыми концевыми группами. Кроме того, обнаружены преимущественно гидрофобные метиловые и метиленовые группы, а также полное отсутствие воды в месте контакта подушечки пальца с поверхностью.

Присутствие липидов до сих пор никогда не рассматривалось в моделях адгезии гекконов. Быть может, когда-нибудь на их основе удастся создать многоразовую клейкую ленту и другие продукты, обладающие всеми свойствами лап гекконов?..Результаты исследования опубликованы в издании Journal of the Royal Society Interface. В результате исследований гекконов были созданы искусственные адгезионные покрытия, способные выдерживать человека (см. рисунок 1).

Однако, как обычно и бывает, первые успехи в этом направлении позволили лучше увидеть многочисленные проблемы, стоящие перед исследователями и технологами. К ворсинкам предъявляются, казалось бы, взаимоисключающие требования — с этим исследователи столкнулись уже в начале XXI века.

Ворсинки должны быть тонкими, чтобы проникать в самые мелкие зазоры и ямки, и вместе с тем прочными, чтобы не отрываться от подошвы на каждом шаге. Они должны быть гибкими и относительно легко растягиваться, чтобы дотянуться до выступов сложной шероховатой поверхности, и вместе с тем не слишком, чтобы легко отделяться от этой поверхности, а не тянуться за подошвой как жевательная резинка.

Искусственные структуры из таких ворсинок должны быть максимально устойчивыми, не отрываться от ступни и выдерживать огромное число (до миллиона) циклов прилипания-отлипания. Пространство между ворсинками не должно слишком загрязняться пылью, собранной с поверхности, и сами ворсинки не должны слипаться между собой, поскольку и то, и другое резко снижает их способность адаптироваться к сложной поверхности. В первом случае нежная щеточка из ворсинок постепенно превращается в жесткий брусок, похожий на забитую ваксой старую сапожную щетку, а во втором нити, слипаются в сгустки (кластеры), теряют эластичность и способность проникать в мелкие особенности рельефа.

С похожими проблемами сталкиваются и животные. Они теряют фрагменты покрытия, если те слишком сильно прилипают к какой-нибудь поверхности. И пространство между ворсинками у них тоже засоряется. Но у животных есть преимущество, они живые, могут регенерировать потерянное, чистить и расчесывать запачканное. У них позади миллионы лет эволюции — достаточно времени, чтобы поупражняться в комплексном решении всех перечисленных задач. И они действительно преуспели, соединяя несоединимое.

Вот, например, некоторые идеи, которые появляются почти сразу. Ворсинки можно сделать одновременно и гибкими, и жесткими, одновременно толстыми и тонкими, если придать им градиентную структуру (рис. 5). Это может быть достигнуто и пространственным изменением свойств ее материала от корня к окончанию, и изменением толщины каждой нити. В этом случае некоторые участки ворсинки служат для придания жесткости, а другие позволяют ей адаптироваться к особенностям рельефа.

Все это помогает, но этого не всегда достаточно. Плавно изменить размер от макроскопического мира, где обитает, например, геккон, до 20 нанометров кончиков его ворсинок, невозможно. Но есть другой путь — сделать всю конструкцию иерархической (фрактальной): толстую ветвь разделить на несколько веточек потоньше, затем каждую из них расщепить еще на несколько, затем еще, и т. д.. Именно так обстоит дело у настоящего геккона (рис. 6). И то, что он бегает, говорит о том, что идея работает. Проблема лишь в том, как все это повторить искусственно.

Отдельный вопрос: а как природа смогла создать такое?. Может статься, что это чистая случайность эволюции, оказавшаяся полезной и потому закрепившаяся в миллионах последующих поколений. Но есть проблема, которую осознавал еще Дарвин: как могли возникнуть сложные приспособления, для которых нужно не одно, а несколько изменений, если ни одно из этих изменений не полезно само по себе, а их одновременное возникновение маловероятно?

Пока ответить на этот вопрос практически нельзя, может помочь только численное моделирование. Во время работы мы уже достаточно углубились в область гипотез, но наблюдаем лишь результаты продолжительной эволюции и считаем, что они неплохо согласуются с нашим интуитивным представлением о целесообразности. Однако мы не видим промежуточных стадий процесса. Быть может, даже в тех случаях, когда результаты совпадают для разных видов, они все же побочны и просто не могли не повториться по каким-то чисто физическим причинам.

Короче, без математического моделирования действительно не обойтись. В игрушечном мире компьютерной модели мы всегда твердо знаем, что в нее заложено, а что нет, а потому знаем, что есть ее результат, а что от лукавого. Численные эксперименты дают нам возможность увидеть ответы на вопросы, «что будет, если...». Включая те случаи, когда прямые биологические эксперименты невозможны.

Допустим, нас интересует, в какой степени градиент свойств может препятствовать слипанию ворсинок (кластеризации) при сохранении возможности достигнуть хорошего контакта с шершавой поверхностью. А заодно — как именно должны быть распределены вдоль ворсинки ее свойства для достижения оптимального результата.

В отличие от реальной системы, где наш выбор ограничен лишь тем, что существует, при моделировании мы более свободны. Понятно, что полностью жесткие нити не подходят — хорошего контакта не будет. Но можно попробовать сформировать их по-разному, скомбинировав из жестких и мягких участков, и посмотреть, какой вариант лучше.

Например: жесткие по большей части длины, начиная с основания и смягчающиеся к кончику нити, жесткие только у основания и мягкие по всей длине и, наконец, мягкие у основания, но жесткие в остальных участках. Далее нужно численно сгенерировать сложную контактную поверхность со случайной структурой на множестве масштабов, то есть примерно такой же фрактал (той же размерности), каковы практически все реальные поверхности.

Возможность каждый раз брать строго регулярный набор нитей и разные варианты фрактальной поверхности делает численное моделирование контролируемым экспериментом и позволяет набирать статистику. Теперь надо снабдить эти нити взаимодействием Ван-дер-Ваальса с поверхностью и между собой. Важно отметить, что оба этих взаимодействия имеют одну и ту же природу, в чем, собственно, и состоит главная трудность практического создания ворсистых систем: ворсинки пытаются прилипнуть не только к поверхности, но и друг к другу.

В численном эксперименте систему ворсинок приводят в соприкосновение с поверхностью, дают ей прийти в равновесие, а потом поверхность удаляют. Во всех случаях ворсинки стремятся притянуться к окрестностям выступов, где слипаются друг с другом. Когда поверхность убирают, часть взаимодействия, приводящего к слипанию (а именно притяжение к общим для групп ворсинок выступам), «выключается» и при определенных условиях ворсинки могут расцепиться и постепенно вернуться в исходное положение.

Именно это происходит в первом из исследуемых вариантов системы, тогда как в двух других ворсинки остаются слипшимися (рис. 7). Иными словами, в первом случае она восстанавливается в каждом контактном цикле и снова готова к использованию, а в двух других — нет. Живая природа выбрала именно первый вариант — ворсинку с длинной жесткой частью и гибким кончиком.

Еще один пример — моделирование прилипания спатулы к поверхности. Все понятно, когда животное стоит на лапках и под его весом маленькие «ступни» на ворсинках плотно прижимаются к полу. А под потолком? Животное не может надавить на него, а если попытается это сделать, то оттолкнется от поверхности и под собственным весом упадет вниз. Надо действовать умнее.

При приближении к потолку тончайшие окончания спатул могут спонтанно прийти в контакт с поверхностью. Сила адгезии позволяет им зацепиться, но ее еще слишком мало, чтобы удержать животное. Для улучшения контакта животное может тихонько потянуть лапки под себя, по касательной к потолку. Это не создает вертикальной силы отталкивания, а зацепившийся кончик не дает спатуле сразу сорваться.

Постепенно она наклоняется к поверхности. Все новые фрагменты спатулы вступают в контакт с поверхностью и прилипают к ней. Нечто подобное мы делаем, когда наклеиваем скотч или изоленту. Главное тут избегать крайностей: если тянуть слишком быстро, уже прилипший кончик сорвется, если слишком медленно, то процесс займет много времени.

И это — на каждом шаге; очевидно, животное как-то контролирует процесс протяжки. Мы пока не можем влезть ему в голову, но трудно представить себе, чтобы оно непрерывно следило за натяжением каждой нити, подобно сороконожке из анекдота, которая разучилась ходить, когда задумалась, что делает ее 37-я нога, когда 12-я делает шаг вперед. Когда речь идет о выживании, не до того. Природа как-то решила вопрос оптимизации, и до известной степени мы можем это повторить.

Прелесть современного численного моделирования состоит в том, что мы можем просто воспроизвести интересующую нас пространственную конфигурацию. А именно: численно представить спатулу как расположенную в трехмерном пространстве под заданным углом к поверхности упругую пластину, которая контактирует с фрактальной поверхностью одним из своих ребер и которую протягивают в заданном направлении с заданной скоростью.

Выяснилось, что, если скорость и угол находятся в приемлемых пределах, кончик спатулы не срывается и она прилипает тем быстрее, чем выше скорость и меньше угол наклона. Природе (или экспериментатору) следует лишь осторожно, но как можно ближе подойти к критическим значениям, не превышая их. Геккон умению «правильно» двигать лапками обучается в юности, во время игр, методом проб и ошибок.

Геккон отрывает лапу от потолка так же, как мы отрываем скотч — начиная с края контакта. Отцепляясь от поверхности, он разворачивает пальчики и отслаивает свои ворсинки и спатулы. Ему надо лишь делать движения прилипания-отлипания с оптимальной скоростью, и он, как мы отметили выше, учится этому в детстве.

Однако выигрыш от усложнения конструкции может оправдать расходы на ее изготовление. И тут снова не грех посмотреть в конец задачника: а как это делает природа? Вот, взгляните на то, как терминальные структуры ворсинок устроены у геккона (рис. 8). Ничего общего с наивно ожидаемым. Это скорее грозди из веточек, развешенные на разной высоте, и вообще скорее сложно распределенные в трехмерном пространстве, чем регулярно устроенные системы. Да, и лопаточки спатул в подвешенном состоянии у них как-то странно повернуты в направлении, противоположном тому, в котором их потом протягивают для закрепления. Невозможно, чтобы природа так грубо ошиблась.

Мы не можем спросить ее об этом напрямую и пока не можем воспроизвести такую конструкцию экспериментально. Остается один способ понять ее тонкий замысел: создать численную модель и посмотреть, как она себя поведет. Ведь, как уже говорилось, прелесть современного моделирования состоит в том, что мы можем численно воспроизвести даже не существующую в реальности структуру. Обучить ее всем нужным взаимодействиям: упругости, адгезии, способности восстанавливать исходную форму. А потом посмотреть: что она будет делать при соприкосновении с численно воссозданной шероховатой поверхностью?

Так мы и поступили. Подвесили на относительно жесткой палочке, которой позволили вращаться, гроздь из тонких окончаний ворсинок с вывернутыми в обратную сторону спатулами, включили адгезию и привели всю конструкцию в соприкосновение с численно генерированной поверхностью.

В начале нашей исследовательской работы мы поставили задачу – выяснить, каким образом прилипают животные и использовать это в технике. В ходе изучения литературы мы выяснили основную информацию о приспособлениях стенолазов. Также нам стало известно о научном методе математического моделирования.

Исследования на практике помогут в создании многоразового клеящего материала, нового альпинистского снаряжения.

Я считаю, что эксперимент завершился успешно, и мне удалось собрать нужную информацию в интернете. Кроме того, люди теперь начнут внимательнее относиться к окружающим вещам.

Чтобы решить выявленные проблемы необходимо продолжить исследования или ждать появления новых статей, в которых учёные покажут свои решения.

В заключении необходимо отметить, что цель проекта выполнена не полностью, но гипотеза точно нашла своё подтверждение.

1. В.Л. Попов. Механика контактного взаимодействия и физики трения. Москва: Физматлит, 2013.
2. В.Л. Попов, А.Э. Филиппов, С.Н. Горб. Биологические микроструктуры с высокой адгезией и трением. Численный подход. «Успехи физических наук», 2016. Т. 186. № 9. С. 913—931.