Тёплый вечер где-нибудь в Таиланде. На веранде горит лампа, вокруг неё кружат мотыльки. По белёной стене к свету пробегает маленькая бледная ящерица, перебирается на потолок и застывает там вниз головой — прямо над чьей-то тарелкой. Висит и не падает. Потом короткий бросок, и одного мотылька становится меньше.
Это геккон. В тропических странах его знает каждый: он живёт на стенах домов, как у нас воробьи живут под крышами. Но как он держится на гладкой краске и даже на стекле?
Геккон не присасывается и не приклеивается. Нижняя сторона его пальцев покрыта миллионами микроскопических щетинок. Их кончики подходят к поверхности так близко, что между ними и стеной возникает слабое притяжение молекул — силы Ван-дер-Ваальса. Одна щетинка держит совсем чуть-чуть, но щетинок так много, что вместе они удерживают ящерицу даже на потолке.
Звучит почти как волшебство. Давайте разберёмся, как оно устроено, — и заодно узнаем, почему самый популярный домашний геккон по стеклу ходить не умеет.
Что у геккона на лапках?
Если перевернуть геккона и посмотреть на его пальцы, видно, что они расширены на концах, а снизу исчерчены поперечными полосками, словно подошва кроссовки. Эти полоски называются ламеллами. Самое интересное прячется на них, и глазом его уже не разглядеть.
Каждая ламелла покрыта густой щёткой из тончайших волосков — щетинок. Они сделаны из кератина, того же рода белка, что и наши ногти. У крупного геккона токи таких щетинок около шести с половиной миллионов. Но и это не конец: кончик каждой щетинки ветвится на сотни, а то и на тысячу ещё более мелких веточек с плоскими лопаточками на концах. Ширина лопаточки — примерно двести нанометров. Это в сотни раз тоньше человеческого волоса.
Получается устройство в несколько этажей: палец, на нём полоски-ламеллы, на ламеллах щетинки, на щетинках лопаточки. Каждый следующий этаж мельче предыдущего, и всё вместе работает как невероятно мягкая щётка, которая повторяет любую неровность поверхности.
Присоски или клей: какие версии проверяли учёные
Больше ста лет учёные спорили, как держится геккон. Проверяли присоски, клей, крошечные крючки, электричество. Большинство версий отпало.
Присоски — самое частое объяснение, которое можно услышать и сегодня. Но присоске нужна мягкая чашечка, из-под которой выдавливается воздух. У геккона никаких чашечек нет: под микроскопом его лапка выглядит как щётка, а не как вантуз. Клея тоже нет — желёз, которые выделяли бы липкую жидкость, на пальцах не нашли, и мокрых следов геккон на стекле не оставляет.
Дольше всего держалась «мокрая» версия: будто лапку притягивает к стене тончайшая плёнка воды. В 2002 году американские исследователи проверили её на гекконах токи. Лапки одинаково хорошо цеплялись и за поверхности, которые любят воду, и за те, что её отталкивают. Значит, вода не главное. Позже выяснилось, что влажный воздух немного усиливает сцепление, но основная работа всё равно достаётся сухому притяжению молекул.
Что такое силы Ван-дер-Ваальса простыми словами
Все вещества состоят из молекул, а молекулы — из частиц с электрическими зарядами. Заряды внутри молекулы всё время чуть-чуть смещаются, и на мгновение у неё появляется «плюсовая» и «минусовая» сторона. Соседние молекулы из-за этого слабо притягиваются друг к другу. Это и есть силы Ван-дер-Ваальса, названные в честь голландского физика.
У этих сил есть важная особенность: они работают только на очень маленьком расстоянии, в несколько миллиардных долей метра. Чуть дальше — и притяжение пропадает.
Почему же тогда наша ладонь не прилипает к стене? Кожа кажется гладкой, но для молекул она похожа на горный хребет. Прижми ладонь к стеклу — по-настоящему близко она подойдёт только в немногих точках. А у геккона миллиарды гибких лопаточек, каждая из которых прижимается к своему крошечному участку. Слабое притяжение складывается из огромного числа касаний и становится ощутимым.
Какой вес выдерживают лапки геккона
Одна щетинка удерживает очень мало — примерно столько, сколько весит рисовое зёрнышко. Но учёные подсчитали: если бы все шесть с половиной миллионов щетинок токи сработали разом, они смогли бы удержать около 130 килограммов. Это вес крупного взрослого мужчины.
Конечно, так никогда не бывает. Геккон никогда не прижимает к стене все щетинки одновременно, да это ему и не нужно — запас прочности огромный. В одном опыте гекконов в крошечных «шлейках» отрывали от сухого стекла, и для этого понадобилась сила примерно в двадцать раз больше веса самой ящерицы.
Почему геккон не застревает на стене?
Вот тут начинается самое удивительное. Прилипнуть — полдела. Животному, которое так крепко держится, надо ещё и быстро отлипать, иначе ни бегать, ни охотиться не получится.
Щетинки геккона похожи не на клей, а на умную застёжку. Они цепляются, когда лапка слегка подтягивается к телу, и отпускают, когда меняется угол. Чтобы оторвать ногу, геккон загибает пальцы вверх, начиная с кончиков, — так, как мы отклеиваем наклейку, начиная с уголка. Щетинки отходят от стены ряд за рядом, почти без усилия. Учёные измерили: на то, чтобы отцепить лапу, у геккона уходит около пятнадцати тысячных долей секунды. Поэтому он и носится по стенам, а не ползёт.
И ещё одна хитрость: лапки сами себя чистят. Пылинка обычно цепляется за стену сильнее, чем за крошечные лопаточки, поэтому при ходьбе грязь остаётся на поверхности, а не копится на пальцах. Никакому скотчу такое не под силу.
Где лапки геккона не помогают
Даже у лучшего скалолаза есть неудобные маршруты. Геккон почти не может удержаться на тефлоне — антипригарном покрытии, как на сковородках. Молекулы тефлона слишком слабо притягивают к себе что-либо, поэтому к нему не прилипает ни яичница, ни лапка ящерицы.
Плохо и с водой. В опытах гекконы соскальзывали с мокрого вертикального стекла уже через несколько шагов, а после того как их лапки долго пробыли в воде, они не могли толком уцепиться даже за сухую поверхность. Вода мешает лопаточкам подойти к стеклу вплотную. Как гекконы справляются в тропических ливнях, учёные ещё выясняют.
Зато на шершавой коре и камнях многим гекконам помогают коготки. Где не хватает притяжения молекул, выручает обычное цепляние.
Зачем геккону хвост, если у него такие лапы?
Оказывается, хвост у геккона тоже работает на страховку. Исследователи снимали гекконов на скоростную камеру и увидели: когда передняя лапа соскальзывает со стены, ящерица мгновенно прижимает хвост к поверхности. Он упирается, как подпорка, и не даёт телу опрокинуться назад. Похожим образом опирается на хвост дятел, когда долбит ствол.
А если геккон всё-таки сорвался, хвост помогает ему перевернуться в воздухе и приземлиться на лапы.
А эублефар по стенам не ходит
Теперь неожиданный поворот. Если у тебя или у друзей дома живёт геккон, скорее всего, это пятнистый эублефар — самый популярный домашний геккон. И он по стеклу не лазает. Совсем.
У эублефара нет липких подушечек на пальцах. Лапки у него обычные, с маленькими коготками. В природе он живёт на земле, среди камней и сухой травы в Афганистане, Пакистане и на северо-западе Индии, и карабкаться по гладким вертикальным стенам ему незачем. Кстати, у эублефаров есть подвижные веки, которых у большинства гекконов нет, — они умеют моргать.
Эублефар не исключение. Из примерно полутора тысяч видов гекконов липкие подушечки есть лишь у шестидесяти процентов. А в 2012 году генетики выяснили удивительную вещь: липкие пальцы появлялись у гекконов не один раз, а примерно одиннадцать раз в разных ветвях их родословной. И примерно девять раз снова исчезали. Например, у видов, которые переселились в пустыню на песчаные дюны, подушечки пропадали: на сыпучем песке они только мешают.
Как лапки геккона помогают инженерам
Учёные давно мечтают о липучке, которой не нужен клей: прилепил, отлепил, снова прилепил — и так сотни раз, без следов. В лабораториях уже сделали ленты и захваты с искусственными «щетинками» по образцу гекконьих. В Стэнфордском университете построили робота-геккона, который забирается по стеклу на лапах с такой же сухой липучкой.
Но настоящий геккон пока впереди. Он бегает по пыльным стенам, по листьям и по камням, чистит лапки на ходу и отлипает за доли секунды. Повторить всё это сразу инженерам ещё не удалось.
Что мы узнали о лапках геккона
Вернёмся на веранду. Геккон по-прежнему висит на потолке над лампой. Теперь мы знаем, что держат его не присоски и не клей, а миллиарды крошечных касаний, каждое из которых почти ничего не весит. И что, делая шаг, он аккуратно «отклеивает» пальцы с кончиков, как наклейку.
А вот паук устроен наоборот: он ловит добычу по-настоящему липкой нитью — и как-то умудряется сам по ней бегать. Как у него это получается, мы разбирали в статье «Как паук плетёт паутину и почему сам к ней не прилипает».
Читайте также
- Как паук плетёт паутину и почему сам к ней не прилипает
- Как дятел долбит дерево и почему у него не болит голова?
- Правда ли, что кошки всегда приземляются на лапы?
- Почему сова летает бесшумно и как охотится ночью?
- Зачем тюленю усы и как он ими находит рыбу в темноте
Источники
- Autumn K. et al. Adhesive force of a single gecko foot-hair // Nature, 2000
- Autumn K. et al. Evidence for van der Waals adhesion in gecko setae // PNAS, 2002
- Autumn K., Gravish N. Gecko adhesion: evolutionary nanotechnology // Philosophical Transactions of the Royal Society A, 2008
- Gamble T. et al. Repeated Origin and Loss of Adhesive Toepads in Geckos // PLoS ONE, 2012
- Stark A. Y. et al. The effect of surface water and wetting on gecko adhesion // Journal of Experimental Biology, 2012
- Jusufi A. et al. Active tails enhance arboreal acrobatics in geckos // PNAS, 2008
- California Academy of Sciences: The fascinating toes of geckos