Kurkime ateitį drauge!

Prof. habil. dr. Vida Mildažienė, doc. dr. Zita Naučienė

Lietuvos miškų institutas

Ėjimo vandens paviršiumi nanobiotechnologija

 

Ar bandėte pagauti vandens čiuožiką? Šie keisti vabzdžiai juda kitaip nei kiti sutvėrimai. Taip vikriai slysta vandens paviršiumi, kad jums prireiks gerokai sugaišti, kol prisitaikysite bent vieną sučiupti. Kam reikia juos gaudyti, paklausite? Norime geriau apžiūrėti jo nuostabias kojas, kuriomis jis eina vandens paviršiumi, tarsi būtų vienas iš gyvų Biblijos personažų.

Mokslininkai tik visai neseniai išsiaiškino įstabių čiuožikų kojų sandaros paslaptį. Panašiai sudarytos ir vandens vorų kojos. Technologinis gamtos sprendimas įdomus ne tik dėl smalsumo ar noro suprasti reiškinių esmę, bet ir dėl galimybės pritaikyti, kuriant futuristines technologijas – judančius vandeniu robotinius mechanizmus arba nedrėkstančias vandenyje medžiagas. Todėl prestižiškiausi moksliniai žurnalai jau publikavo ne vieną straipsnį čiuožiko kojas. Mokslo rašytojas R. R. Brittas populiariai aprašo [1] 2004 m. “Nature” paskelbtą kinų mokslininkų Xuefeng Gao ir Lei Jiang darbą.

Vandens čiuožikus (šeima Gerromorpha) galime pamatyti beveik kiekvieno Lietuvos vandens telkinio paviršiuje (1 pav.).

 

 

1 pav. Vandens čiuožikas

 

Tai plėšrūs blakių būrio vabzdžiai, kurie gaudo kitus vabdžius ir jais maitinasi. Lietuvoje yra apie 10 vandens čiuožikų rūšių. Jų kūno struktūra labai savotiška. Siaurą tamsų kūną (suaugėlio kūno ilgis apie 1 cm) virš vandens paviršiaus kelia labai ilgos kojos. Užpakalinė kojų pora daug ilgesnė už kūną, priekinės kojos trumpesnės. Tokios kojos leidžia paskirstyti kūno svorį dideliame paviršiaus plote. Kūno ir kojų struktūra leidžia vandens čiuožikui nenuskęsti pakeliant net 15 kartų didesnį svorį, negu sveria jo paties kūnas!

Jeigu kartais pamatysite čiuožiką, panašų į Raudonkepuraitę (2 pav.), žinokite, kad tai nėra ypatingas čiuožikų puošeiva. Vargšelis ant galvos nešioja visą šusnį stipriai įsisiurbusių raudonųjų vandens erkučių.  

 

 

2 pav. Užpultas vandens erkučių čiuožikas gali atrodyti lyg pasipuošęs kepure. Šviesiniu mikroskopu galima gerai įžiūrėti vandens erkutes ant jo galvos.

 

Vandens čiuožikai juda vandens paviršiumi nepaprastai greitai (35-125 cm/sek.). Esant reikalui, pavyzdžiui, vengdami skandinančio lietaus vandens lašo arba gaudytojo rankų, jie gali mikliai strykčioti.

Pradžiai pasiaiškime, kaip vandens čiuožikai gali stovėti ant vandens. Žinoma, kad šie vabzdžiai išskiria riebalus, kuriais tepa savo kojas. Todėl jų galūnių paviršius yra hidrofobinis. Taip vadinamos medžiagos, kurios netirpsta vandenyje, jų paviršius tarsi vengia sąveikos su vandeniu.

Kita svarbi šio reiškinio priežastis buvo siejama su ypatingomis vandens savybėmis, kurias lemia vandeniliniai ryšiai tarp vandens molekulių. Tarp anomalinių vandens savybių šiuo atveju verta paminėti didesnės skysčio paviršiaus įtampos jėgas, kurių energija yra 0,007 J/m2. Vandens paviršių liečiant hidrofobiniam objektui, padidėja paviršiaus plotas – taip mažėja sąlytis tarp negiminingų paviršių. Todėl vandens čiuožiko koja, atremta ant vandens paviršiaus, sudaro įdubimą. Ar pastebėjote koks keistas vandens čiuožiko šešėlis? Jame labiausiai matomos dėmės, kurias sudaro vandens paviršiaus įdubimai (3 pav.).

 

 

 

3 pav. Vandens čiuožikai ir jų šešėlis dugne

 

Dėl tokio paviršiaus išlenkimo susidaro kapiliarinės jėgos, nukreiptos prieš vabzdžio kojos svorio jėgas. Šių jėgų pakanka, kad vandens čiuožikas neskęstų, bet laikytusi vandens paviršiuje. Toks gebėjimas gali būti būdingas tik lengviems organizmams, kurių kūno svoris paskirstytas dideliame paviršiaus plote. Paviršiuje laikančios vandens kapiliarinės jėgos yra proporcingos su vandens paviršiumi sąveikaujančių kojų sudaromo ploto paviršiui, o skandinančios kūno svorio jėgos proporcingos kūno tūriui. Tačiau didėjant kūnui, skendimą vandenyje lemiančios jėgos didėja greičiau, negu gebėjimas išsilaikyti vandens paviršiuje. Todėl tokia savybė būdinga tik mažiems organizmams. Didesnį kūną turinčių vandens čiuožikų kojos neproporcingai ilgos.

 

Kitas klausimas, kaip vandens čiuožikai juda? Jie stumia save vandens paviršiumi ilgomis hidrofobinėmis kojomis tarsi irklais. Anksčiau buvo teigiama, kad hidrodinaminius čiuožiko judesius lemia paviršiaus bangų perdavimo momentas. Tačiau mokslinių tyrimų laboratorijoje buvo nustatyta, kad mažų čiuožikų kojos (jų viduriniųjų kojų ilgis tik 2 mm) juda pernelyg lėtai, kad galėtų sukurti bangas vandens paviršiuje, jie negalėtų savęs pastumti. Toks neatitikimas tarp vyravusios judėjimo teorijos ir realaus mažojo čiuožiko judėjimo būdo buvo pavadintas Denio paradoksu (Denny‘s paradox) [2]. Panašių judėjimo teorijos paradoksų žinoma ir daugiau – Gray paradoksas apibūdino delfinų judėjimo, kamanės (bumblebee) paradoksas – vabzdžių judėjimo savybes.

Denio paradoksas sudomino mokslininkus. 1997 m. Suterio grupė priklijavo vandens voro koją prie labai jautraus judesio daviklio ir sekė, ar judant sukeliamos paviršiaus bangos. Jie nustatė, kad bangų sudarymas nėra vienintelis būdas, kuriuo vabzdžiai gali judėti vandens paviršiumi.

Matematikas J. Bušas su kolegomis D.L. Hu ir B. Chan atidžiai stebėjo čiuožikų judėjimą, panaudodami greito filmavimo kamerą ir dažų dalelėmis padengtą vandens paviršių [3,4]. Šių stebėjimų rezultatai patvirtino prielaidą, kad čiuožikai perduoda judėjimo momentą skysčio paviršiui ne kapiliarinėmis bangomis, bet tarsi iš dviejų pusrutulių sudarytais dvykrypčiais sukūriais, kuriuos skleidžia jo varomosios kojos 4 pav. (žr.[2]).

 

4 pav. Čiuožiko judėjimą lemia dvigubi sukūriai [2]

 

Būtent šie stebėjimai padėjo mokslininkams sukonstruoti mechaninį čiuožiką, judantį labai panašiai, kaip jo naturalus analogas [5]. Kojų superhidrofobiškumas yra būtina sąlyga šiam mechanizmui slysti vandeniu.

 

Tačiau svarbiausia čiuožiko kojų anatominė paslaptis yra mikroskopiniai plaukeliai, vadinami mikrosetomis. Mikrosetų elektroninės mikroskopijos nuotraukos pateiktos [1]. Jų skersmuo yra mažiau kaip 3 mm (žmogaus plauko skersmuo – 80-100 mm). Jais tankiai padengta visa vabzdžio koja, tačiau pačiame kojos gale jie ilgesni (4 pav.). Keli adatos formos mikrosetų sluoksniai yra nukreipti viena kryptimi.

 

4 pav. Vandens čiuožiko kojos vaizdas šviesiniu mikroskopu (10 ir 40 kartų padidinta).

 

Labai svarbi mikrosetų struktūros savybė yra nanometrų pločio grioveliai. Oro burbuliukai, patekę į tarpus tarp mikrosetų ir jų griovelių, sudaro tarsi oro pagalvę ir neleidžia sudrėkti vabzdžio kojoms, suteikia joms ypatingo atsparumo drėkimui, vadinamo superhidrofobiškumu (angl. k. –  superhydrophobicity). Didžiausia keliamoji vienos tokios kojos galia vandens paviršiuje yra 152 dinos. Tai yra apie 15 kartų daugiau negu reikėtų vabzdžio kūnui vandens paviršiuje išlaikyti [6,7]. Teorinis modelis leido įrodyti, kad tokias unikalias vandenį atstumiančias savybes gali suteikti kooperatyvi sąveika tarp mikrosetų nanogriovelių bei vaškinio kojos tepalo buvimas. Būtent šias savybes būtų naudinga pritaikyti, kuriant vandens paviršiumi judančias priemones arba nedrėkstančias medžiagas.

 

Norėdami paneigti, kad čiuožiko gebėjimą eiti vandens paviršiumi lemia vaškingas tepalas arba vandens įtampos jėgos, mokslininkai sukūrė dirbtinę čiuožiko koją ir padengė ją vašku. Ji gana gerai tiko palaikyti dirbtinio čiuožiko „plaustą“, tačiau negalėjo užtikrinti galimybės greitai judėti paviršiumi.

 

 

 

Literatūra:

 

[1] http://www.livescience.com/animals/041103_water_strider.html

[2] Denny M. Paradox lost: answers and questions about walking on water. J. Exp. Biol. 2004;207:1601-1606.

[3] Hu DL, Chan B, Bush JW. The hydrodynamics of water strider locomotion.

Nature;424(6949):663-6.

[4] http://www.cirrusimage.com/bugs_water_strider.htm

[5] http://www.mahoningjvs.k12.oh.us/bpa/banks/BPA%20Good.htm

[6] Gao X, Jiang L.Biophysics: water-repellent legs of water striders. Nature. 2004; 432(7013):36.

[7] Feng XQ, Gao X, Wu Z, Jiang L, Zheng QS. Superior water repellency of water strider legs with hierarchical structures: experiments and analysis. Langmuir. 2007;23(9):4892-6.

 


Naturales Scientiae Omnibus