Fysikkens mestere

Fysikkens mestere i den levende verden
Evolution News; March 12, 2018

Bilde 1: En vannnymfe, via Wikimedia Commons.

Oversatt herfra.

Gjennom den levende verden viser celler, planter og dyr ferdigheter i dynamikk – bevegelses-fysikk. Å frembringe disse vellykkede bevegelsene innebærer ofte presis koordinering av ulike fysiske lover.

Bilde 2. Øyestikker

Vannnymfe elastisitet
Vi vet alle om øyestikkere (Günter Bechlys spesialitet), de strålende sirklende insektene som gleder barn og voksne. Vannnymfe er like, bortsett fra at de er litt mindre og slankere. Vi kan bruke tid på å snakke om disse fantastiske insektenes bruk av optisk flynavigasjon, forutsigbare jaktteknikker eller andre evner som inspirerer menneskelige ingeniører. I dag, la oss lære om et annet trekk som krever fysisk bevegelse: fleksibiliteten i leddene i vingene. Et nytt papir i PLOS ONE avslørte et fantastisk protein som gjør vingene elastiske og fleksible. I “Morfologiske og mekaniske egenskaper av fleksible resilinledd på Vannnymfe vinger,” introduserer de proteinet resilin:
Hovedfokus for denne studien er på det fleksible elementet som er funnet på vingene til vannnymfer, kalt resilin. Resilin er det gummiliknende proteinet som finnes i spesialiserte områder av kutikula (overhud) til de fleste insekter som gir lav stivhet, høy belastning og effektiv energilagring som fungerer i insektflyvning. Weis-Fogh beskrev først resilin fra flysystemene til gresshopper og øyestikkere, det ble beskrevet som lik hovent isotropisk gummi, men dets elastiske oppførsel er ulik enhver annen naturlig eller syntetisk polymer. I tillegg ble resilin vist å ha bemerkelsesverdige mekaniske egenskaper hvor det er to størrelsesordener høyere enn for elastin, noe som tyder på at resilin er en mer mobil biopolymer.

En insekt ving må oppnå den optimale avstanden mellom elastisitet og holdbarhet. Den kan ikke skades for lett i vinden, men kan heller ikke være for stiv. Resilinproteinet har de ideelle egenskapene for fleksibilitet og energilagring. Det kan deformere og deretter komme tilbake til posisjon med et fjærlignende svar. “Resilin fungerer som en elastisk fjær som demonstrerer ekstraordinær utvidbarhet og elastisitet,” sier de fire forfatterne. Motstands/elastisitets-styrken kommer fra den nøyaktige plasseringen av de riktige aminosyrene i sekvensen.
Ved hjelp av atomkraftmikroskopi og andre teknikker, måler forskerne de fysiske egenskapene til resilin som gir den slike ideelle egenskaper, slik at vingene kan bøye seg og få mest mulig løft for mengden av energi som forbrukes. Det er mer enn bare tilgjengeligheten av resilin til insektet. Forskerne fant også at fordelingen av resilin varierer over hele vingen, og gir fleksibilitet der det er mest nødvendig. Det er et eget designprinsipp fra materialet alene:

Strukturanalysen viste at fleksibiliteten til vingene varierte fra ett område til et annet, og resilin-fordelingsmønsteret var mekanismen som styrte egenskapene til vingen…. I tillegg viste AFM-bildene resilin nanostrukturer av varierte størrelser og aktiverte beregning av elastisitetsverdier ved hver seksjon av vingen; membran, mobile og immobile ledd i Rhinocypha spp…. Mens studier av silke og elastin fikk stor oppmerksomhet i det siste tiåret, har dette nå endret seg for å fokusere på rekombinant resilin ; struktur-mekaniske egenskaper av resilin med potensielt større anvendelse på en rekke områder.
Som det er vanlig i artikler som omhandler naturdesign, har biomimetikken overhalet utviklingen som fokus for interessen. Forfatterne er glade for å tenke på hvordan deres oppdagelse kunne hjelpe ingeniører bruke dette “bemerkelsesverdige” fjærete proteinet for “større applikasjon på en rekke områder.” Flubber, kanskje? Naturen hadde det først!

Bilde 3. Mekaniske gear -hos greshoppe

Høydehopps mestre
Hvem kan glemme de bemerkelsesverdige tannhjulene fra gresshoppen vi skrev om fem år siden, som lagrer elastisk energi for sine raske hopp? Nåvel, ‘Current Biology’ publiserte en interessant “hurtigguide” til “Insekt Sprang” som viser at det er mer enn én måte å hoppe. Selv om Sutton og Burrows ikke nevner girene, deler de noen “Wow!” fakta om gresshopper: En gresshoppe kan akselerere på mindre enn 1 millisekund til en starthastighet på 5 meter per sekund, som krever en effekt (energi per gitt tid) på titusenvis av Watts per kilo muskel.
Hvordan kan de få slike superkrefter, når muskler kun kan generere 300 watt per kilo? Det er også en annen fysisk begrensning: jo raskere en muskel kontraherer, jo mindre kraft kan den generere, som “forverrer problemet.” Videre, for et hoppende insekt, kan kraften bare fungere når den kommer i kontakt med bakken. En dårlig gresshoppe synes å ha tre slag mot den.

Bilde 4. Frosken hopper relativt mye lenger enn oss i stille lengde

-Hvordan gjør disse insektene det? De hopper ved å bruke fjærer; enheter som lar energi lagres gradvis i mekaniske deformasjoner og deretter slippes brått.
I insekter som bruker fjærer til å hoppe, blir beina først flyttet til samme spissposisjon og leddene låst. De kraftproduserende musklene trekker seg sakte sammen over perioder på 100 millisekunder til noen få sekunder uten å bevege bena; I stedet forvrenger kraften som genereres, deler av skjelettet som lagrer mekanisk energi. Den plutselige frigjøringen av disse lastede skjelettfjærer styrker de raske fremdriftsbevegelsene til beina. Den elastiske rekylen til spranget returnerer den lagrede energien veldig raskt. Kraften forsterkes fordi nesten all energien som produseres av langsom sammentrekning av muskel, returneres til beinet på mye kortere tid, og leverer tusenvis av W kg -1 av mekanisk kraft som kreves for å hoppe.

Forfatterne sammenligner dette med å strekke en bue og frigjøre den lagrede energien raskt. “Sammenlign hvor langt du kan kaste en pil med hvor langt du kan skyte den med en bue,” kommenterer de. Kjente insekter som bruker fjærer til å hoppe, inkluderer lopper, gresshopper, frosker, gresshopper, flyvebiller og “selv en kakerlakk”, men mange flere vil sannsynligvis bli oppdaget. Hvis du ser et insekt som oppnår mer enn 300 watt per kilo muskel, bruker det sannsynligvis en fjærmekanisme. Og nå, igjen, finner vi proteinet resilin som vi nettopp har lært om:
Disse fjærene er et kompositt av hardt, høyt sklerotisert kutikk og det meget elastiske proteinet resilin. Et hardt materiale som sammenpresset (sclerotized) kutiks kan lagre betydelig energi, selv om de deformeres av bare en liten mengde, men er utsatt for brudd. Resilin, derimot, er mye mykere, lagrer mye mindre energi når de deformeres tilsvarende, men er elastisk og i stand til å belaste store mengder om nødvendig. Den returnerer raskt og pålitelig til sin opprinnelige form ved gjentatte deformasjoner.

Hvilken bemerkelsesverdig ting: Det samme proteinet brukes til helt forskjellige funksjoner i Vannnymfe-vingen og i froskebenet. Legg merke til at resilin må samarbeide med strukturer rundt seg. I seg selv kunne det verken fly eller hoppe. Som med forrige artikkel slutter forfatterne med biomimetikk – et designfokus. Å imitere hopp av insekter vil kreve detaljert forskning som viser at design ikke er en vitenskapstopper, men en inspirasjon for vitenskapelig forståelse og anvendelse:

Formen og materialsammensetningen av disse biologiske fjærene er svært forskjellig fra menneskeskapte fjærer. Hvis vi ønsker å bruke biologiske leksjoner til moderne vår design, må vi ta opp tre fremtredende spørsmål. For det første hvordan påvirker geometrien av de biologiske fjærene deres evne til å bøye, lagre og frigjøre energi? Hvordan er de forskjellige fjærene tilpasset spesifikke behov for forskjellige insekter? Til slutt, hvilke bidrag gjør de harde og myke komponent-materialene til egenskapene til fjærene som muliggjør slik pålitelig lagring og frigjøring av energi?
Det er et annet eksempel på hva vi sa i begynnelsen: å oppnå disse dynamikkene “involverer presis koordinering av ulike fysiske lover.” I dette tilfellet var materialvitenskap, energi, elastisitet, akselerasjon og mer, involvert. Selv da ville ingenting fungere uten hjernens programmering for å bruke det.

Bilde 5 og 6. Gyroskop-prinsipp og virkemåte

Plante gyroskop
Planter virker så passive, bare blåser i vinden, med ingen steder å gå. Vi vet imidlertid at enkelte planter kan bevege seg raskt ved å lagre væskespreng (turgor) trykk, som for eksempel den sensitive planten og Venus fluefangeren –her. Det er ett område i botanikk som virkelig setter dynamitten i dynamikk: frøspredning. En fascinerende ny studie fra Pomona College og Rancho Santa Ana Botanic Garden, rapportert av Phys.org –her, avslører et svært uvanlig eksempel: en plante som har mestret Frisbee kastet! Og det er en mest usannsynlig konkurrent: den ville petunia Ruellia ciliatiflora – “egentlig ikke veldig nært knyttet til petuniaer, selv om den produserer vakre blomster.” (Hei, det er på tide å plante hagen din med vårfarger.) Så hvordan sprer denne ydmyke lille blomsten sine frø over store avstander? Gjør deg klar for noen flere “Wow!” -uttrykk, fordi vi har en annen verdensrekord å dele:

Bilde 7. Gyroskop frø

-Det som er mest slående om planten, er hvordan det sprer frøene sine ved å slenge dem store avstander når frukten er utsatt for vann. Men inntil nå er det gjort lite forskning for å finne ut hvordan blomsten slynger dem så langt. For å lære mer, tok forskerne noen av plantene inn i laboratoriet og filmet frøspredning ved hjelp av et høyhastighets kamera.
Forskerne oppdaget at det er flere faktorer på ferde. Den ene er det lim-lignende materialet som holder frøene på plass, en annen er plateformen til frøene. Små kroker bak frøene hjelper også med å fyre dem av. Kanskje viktigst, utvikles spinn på grunn av måten frøet kastes på. Ved å redusere farten observert forskerne at frøene spinner opp til 1660 ganger i sekundet, noe som gjør dem til de raskeste spinnere som er kjent i naturen.
Hurtigere enn en spinnende Frisbee, akselererer denne planten sine frøs vinkelmoment til denne utrolige hastigheten, raskere enn noe dyr kan (inkludert en human Frisbee-mester), noe som gir frøet mer løft og lengre avstand. Hvordan gjør det det? Forfatterne sa ikke. De fant at den raske spinningen har en hensikt: En overraskende gyroskopisk effekt:
Videoene ga bevis på at hjelpen frøene får fra å snurre – noen av dem som ble kastet ut, spant ikke, og dro bare halvparten så langt som de som spant. Og de som gjorde det var i stand til å reise så langt som syv meter og ble lansert med hastigheter opp til 35 km. i timen. Merkelig nok snurrer de vertikalt og mot klokka, som en Frisbee på siden. Spinnet, fant forskerne, resulterte i en gyroskopisk effekt, og holdt frøene stabilisert mens bakspinnet produserte mindre slitasje, og holdt frøene lenger og tillot dem dermed dem å fly lenger.

Det er utrolig. Hvem ville ha trodd at en plante kunne starte frøene ved 35 km/t med en rotasjon på 1660 rotasjoner per sekund? Disse frøene må ha virket som en uklar kule som fyker forbi før høyhastighets kameraet avslørte hemmeligheten. Igjen ser vi at denne planten måtte bruke flere fysikklover for å lykkes: egenskaper av materialer, gyroskopiske effekter, aerodynamikk og hydrodynamikk (siden vann er involvert). Hvor mange mutasjoner tok det?
Disse tre eksemplene viser at det er en verden med design der ute som må avsløres. Hvis du oppnår en grad i biomimetikk eller fysikk, må du aldri miste inspirasjonen din på oppfinnsomheten til levende design. De har de virkelige doktorgradene. Forskerne er deres studenter.

Tager: biomimetikkCurrent BiologyG. BechlyfysikkPLOS ONE;

Oversettelse og bilder ved Asbjørn Lund