Ученые исследовали механизм передвижения черепах по песку
Жизнь таит в себе множество опасностей для только что вылупившихся головастых морских черепах, или, как их еще называют, логгерхедов. Как только детеныши покидают лоно гнезда, им сразу же приходится преодолевать расстояние около ста метров, чтобы как можно быстрее добраться до океана. Несмотря на то, что конечности логгерхеда в основном приспособлены к жизни в море, а не на суше, его плавники демонстрируют удивительную способность передвигаться по дюнной траве, песку различной плотности и влажности, а также преодолевать твердые препятствия.
Ученые из Технологического института штата Джорджия, США, провели первые в этой области исследования, которые показывают, как черепашки с помощью плавников могут быстро передвигаться по рыхлой песчаной почве и твердому грунту в надежде достичь океана. Знания, полученные в ходе исследований, помогут инженерам в будущем разрабатывать специальных роботов, предназначенных для перемещения в экстремальных условиях.
Обычно черепахам не так легко перемещаться по песку из-за сыпучих свойств почвы. Погрязая плавниками в песок, животное начинает скользить и терять равновесие, что в результате значительно снижает эффективность его опорно-двигательного аппарата. Однако, по словам Дэниела Голдмана, доцента кафедры общей и прикладной физики, логгерхеды сумели приспособиться даже к таким условиям. На плотно слежавшемся песке у самой воды детеныши продвигаются вперед, вонзая когти своих плавников в почву, преодолевая тем самым скольжение. На сыпучей же поверхности они отталкиваются от уплотненных участков, образующихся позади их плавников.
Соответствующий доклад опубликован в февральском выпуске электронного журнала “Biology Letters” за 2010 год.
Совместно с Центром исследований морских черепах штата Джорджия биолог Николь Мазучова изучила перемещения детенышей вида “Caretta caretta” на острове Джекилл. Исследования проводились в мобильной лаборатории, в которой был установлен почти метровый испытательный трек, засыпанный сухим островным песком. На дне трека ученые проделали мелкие отверстия, через которые при необходимости задували воздух. Под воздействием воздушных потоков песчинки взлетали и затем оседали, образуя неплотно уложенные участки почвы. Таким образом, ученые контролировали плотность песка.
Помимо трека с разреженным песком, ученые также использовали доску, покрытую наждачной бумагой. Наблюдения за изменениями движений черепашек на разных поверхностях были зафиксированы на скоростную камеру. На первый взгляд, казалось, что черепашки будут быстрее передвигаться на жесткой поверхности благодаря ее негнущимся свойствам. Однако, опыты показали иные результаты. Несмотря на то, что средняя скорость на песке по сравнению с твердой почвой падала на 28%, максимальная скорость была одинаковая на обеих поверхностях.
На твердом основании детеныш вонзал в наждак расположенный на запястье коготь и, таким образом, проталкивался вперед. При этом одно из его плеч вращалось в сторону корпуса, а запястье не сгибалось, сохраняя конечность полностью вытянутой. На разреженной почве, наоборот, давление, исходящее от тонкого края одного из плавников, заставляло конечность углубляться в песок. Плечо логгерхеда при этом вращалось до тех пор, пока плавник не становился перпендикулярно поверхности, а корпус приподнимался. Итак, детеныш погружался в песок, приподнимая свое брюшко над землей, затем наклонялся вперед, останавливался и повторял движение снова.
Для более детальных исследований Дэниел Голдман вместе с физиком Ником Гравишем соорудили в лаборатории искусственную плавниковую модель, соответствующую реальным размерам. Плавник состоял из тонкой алюминиевой пластины (толщина - 1.45 мм, длина – 3см), которую ученые погружали в песок на глубину от 0.25 до 1.25 см и передвигали по треку. Калиброванные тензодатчики, прикрепленные к плавнику, измеряли силовые параметры во время его движения. Опытная модель показала, что для быстрого передвижения по песку черепашке нужно находить оптимальное соотношение между большой скоростью, требующей серьезных инерционных сил, и способностью уплотнять песок на ходу. Дэниед Голдман считает, что для снижения скольжения плавников при перемещении вперед результирующая осевая сила F thrust животного должна быть меньше предела текучести зернистой почвы, Fthrust < Fyield .
Дэниел Голдман вместе со своими коллегами планируют продолжить лабораторные исследования, чтобы изучить, каким образом черепашки контролируют движения своих конечностей для преодоления флюидизации песка. Они также разрабатывают роботов, способных передвигаться по гранулированным поверхностям.
