Почему Человек-паук не может существовать: гекконы — «предел размера» для прилипания к стенам

Новое исследование показывает, почему гекконы — самые крупные животные, способные карабкаться по гладким вертикальным стенам. Более крупным скалолазам потребовались бы непрактично большие липкие подушечки на лапах. Учёные подсчитали, что человеку для ходьбы по стене, как Человеку-пауку, потребовались бы адгезивные подушечки, покрывающие 40% поверхности его тела. Эти выводы важны для оценки реализуемости крупномасштабных адгезивов, вдохновлённых природой.

Исследование, опубликованное в PNAS, демонстрирует, что у лазающих животных — от клещей и пауков до лягушек и гекконов — процент поверхности тела, покрытый липкими подушечками, увеличивается с ростом размера тела. Это устанавливает предел для размера животного, способного использовать такую стратегию, поскольку более крупным существам потребовались бы невозможные по размеру «лапы».

Доктор Дэвид Лабонте и его коллеги из Департамента зоологии Кембриджского университета выяснили, что крошечные клещи используют примерно в 200 раз меньшую долю общей площади тела для адгезивных подушечек, чем гекконы — крупнейшие природные «скалолазы», использующие прилипание. Для человека эта доля составила бы около 40% общей поверхности тела или примерно 80% передней части туловища.

«Если бы человек захотел ходить по стене, как геккон, нам понадобились бы непрактично большие липкие ступни — наш размер обуви был бы примерно 145-м по европейской шкале или 114-м по американской», — говорит старший автор работы Уолтер Федерле.

Почему существует предел размера?

• Проблема масштаба: С увеличением размера животного соотношение площади поверхности тела к его объёму уменьшается. Большому и тяжёлому животному нужно больше силы сцепления, но у него относительно меньше поверхности тела, которую можно покрыть липкими подушечками.
• Эволюционный предел: Это делает стратегию липких подушечек непрактичной для эволюции у животных крупнее геккона. Более крупные животные (например, приматы) используют для лазания альтернативные стратегии: когти и цепкие пальцы.

Анализ 225 видов

Учёные сравнили вес и размер подушечек у 225 видов лазающих животных, включая насекомых, лягушек, пауков, ящериц и даже одного млекопитающего. Диапазон веса охватывал более семи порядков величины.

Конвергентная эволюция и два решения

• Адгезивные подушечки лазающих животных — яркий пример конвергентной эволюции: разные виды независимо пришли к одинаковому решению проблемы.
• Исследователи обнаружили два эволюционных решения проблемы увеличения размера и веса:
  1. Увеличение относительного размера подушечек (наблюдается при сравнении всех видов в целом).
  2. Увеличение липкости подушечек (наблюдается внутри близкородственных групп, например, лягушек, где морфологическое разнообразие ограничено и быстро увеличивать размер подушечек невозможно).

Значение для технологий

Понимание этих ограничений масштабирования и эволюционных инноваций крайне важно для разработки крупномасштабных, мощных и управляемых адгезивов, вдохновлённых биологией, которые сегодня эффективны лишь на очень маленьких площадях.