Выживание через всасывание
Если уменьшить человека до размеров насекомого, он не сможет пить лимонад через соломинку. Силы, удерживающие жидкость вместе, будут слишком велики для такого крошечного масштаба.
Многие из мельчайших существ природы имеют специальные анатомические части, позволяющие им всасывать жидкую пищу. Другие прилагают очень мало усилий, полагаясь на сифоны, которые вытягивают жидкость с минимальными затратами. На недавней встрече по динамике жидкостей ученые определили несколько животных, которые полностью полагаются на небольшие перепады давления в сифонах для переноса жидкостей — их основного источника пищи — в свои тела.
Внутри головы комара
Когда комар кусает вашу кожу, ущерб всегда наносит взрослая самка. Самкам комаров необходим белок и железо, содержащиеся в крови, для производства яиц, и они способны извлечь более чем в три раза больше крови, чем их исходный вес тела.
Сан Джун Ли из Пхоханского университета науки и технологий в Южной Корее заявил, что процесс питания происходит в четыре этапа. Сначала комар садится и вставляет свой штыкообразный стилет в жертву. Затем определяется оптимальная глубина проникновения, происходит извлечение крови, и комар выпрямляет передние лапки, втягивая стилет.
Ранее проводились некоторые теоретические исследования этой последовательности, но не хватало подробной информации о том, как кровь фактически течет от хозяина в комара. Исследование Ли изучило внутреннюю часть головы комаров, чтобы измерить точный поток, создаваемый двумя наборами насосов, которые работают попеременно, подобно ритму млекопитающего сердца. Ли первым описал это скоординированное действие, которое максимизирует силу всасывания и регулирует движение крови в пищеварительные органы насекомого.
Оригами-язык колибри
Парение и стремительные движения колибри накладывают огромную метаболическую нагрузку. Джон Буш из Массачусетского технологического института в Кембридже утверждает, что ключевым элементом системы сбора нектара птицы является ее язык. Средний язык колибри имеет длину чуть меньше дюйма, что в два раза длиннее клюва.
При погружении в нектар язык сворачивается в цилиндрическую форму соломинки, которая действует как сифон. Нектар быстро поднимается по столбику за счет капиллярного действия — той же силы, что заставляет жидкость растекаться по бумажному полотенцу, — позволяя птице наполнять язык до 20 раз в секунду. После каждого погружения нектар соскабливается и проглатывается.
Компьютерные модели Буша, впервые подробно проанализировавшие механику этого процесса, показали, что сворачивание языка является своего рода «капиллярным оригами», требующим от птицы минимальных усилий. Язык складывается под действием сил поверхностного натяжения, которые стягивают самоорганизующийся сифон.
«Большинство стратегий питья в природе имеют или в конечном итоге будут иметь промышленные аналоги», — сказал Буш.
Бабочки и бумажные полотенца
Хоботок бабочки выглядит как соломинка — длинный, тонкий и используемый для всасывания, — но работает он больше как бумажное полотенце, согласно Константину Корневу из Университета Клемсона в Южной Каролине. Он надеется позаимствовать приемы этого элемента анатомии насекомых для создания небольших зондов, способных отбирать жидкость внутри клеток.
В маленьком мире бабочки жидкости кажутся более густыми и сопротивляются всасыванию. Пища насекомого — вода, жидкости животных, фруктовые соки — имеет резко различающиеся уровни вязкости. Потребовались бы огромные давления для перемещения жидкостей, если бы насекомые полагались на насосную систему для питания.
«Ни один насос не выдержал бы такого давления, — сказал Корнев. — Жидкость закипела бы самопроизвольно».
Результаты Корнева показывают, что вместо накачивания бабочки поднимают жидкость вверх, используя капиллярное действие. Хоботок напоминает свернутое бумажное полотенце с крошечными канавками, которые тянут жидкость вверх по краям, увлекая за собой каплю жидкости в середине трубки.
Корнев недавно получил грант от Национального научного фонда (NSF) на разработку искусственных зондов из нановолокон, которые используют аналогичный принцип для извлечения вязкой жидкости внутри клеток и изучения их содержимого.