Einer der beeindruckendsten Spieler der Natur: Spring’s Tail

Unter den Wundern der Natur, die nur wenigen Menschen aufgefallen sind: der sich bewegende semi-aquatische Springschwanz.

Es gibt etwa 9.000 bekannte Arten von Springschwänzen – kleine, flohähnliche wirbellose Tiere – auf der ganzen Welt. Viele leben in dunklen und feuchten Lebensräumen, aber sie sind auf allen sieben Kontinenten zu finden; Einige wandern sogar auf Schnee. Arthropoden durchstreiften die Erde, indem sie ihre Körper in die Luft schleuderten und sich manchmal 500 Mal pro Sekunde drehten, wie Zirkuskünstler, die aus freistehenden Kanonen schießen. Viel Glück beim Anschauen der Hängematten-Show – die meisten Springschwänze sind „so klein wie ein Sandkorn“, sagte Victor Ortega Jimenez, ein Biomechanik-Forscher der University of Maine, der die Kreaturen untersucht.

Jetzt eine Reihe von herangezoomten Zeitlupenvideos dieser hochoktanigen Sprünge, veröffentlicht von Dr. Ortega Jimenez und Kollegen bei Artikel Es wurde am Montag in den Proceedings of the National Academy of Sciences veröffentlicht und enthüllt ein Element geringer körperlicher Kontrolle, das fast agil ist. Die Grafiken helfen mit einer detaillierten Erklärung, wie die Heckfeder durch die Luft springt und fast bei jeder Landung auf den Füßen landet.

Dr. Ortega Jiménez sagte, die Dominanz des pulsierenden Schwanzes rühre zum großen Teil von ihrem markantesten und mysteriösesten Merkmal her, dem Kolophor, einem Schlauch, der aus ihren Mägen hervortritt. Diese Röhre interagiert auf unterschiedliche Weise mit den Kräften, die Tiere umgeben: Luftwiderstand, Oberflächenspannung, Schwerkraft. „Sie nutzen das Wasser und die Luft“, sagte Dr. Ortega Jimenez.

Der pulsierende Schwanz ist kein Insekt, obwohl er aufgrund seiner sechs Beine, segmentierten Körper und Antennen lange Zeit als solches klassifiziert wurde. Aufgrund ihres in den Kopf zurückgezogenen Mauls bilden sie heute die Mehrheit einer anderen taxonomischen Klasse: Entognatha.

Taxonomisch heißt der Springschwanz Collembola, eine Bezeichnung, die ihm John Lubbock, ein englischer Polyglott des 19. und frühen 20. Jahrhunderts, gegeben hat. Das Wort kommt von den griechischen Wörtern, die „Kleber“ und „Pflock“ bedeuten. Lubbock wählte den Namen aus dem Verhalten, das er beobachtete, nachdem er eine Feder auf ihren Rücken gedreht und ein Stück Glas über ihren Bauch geflogen war. Die Tiere würden die Schale mit ihren Beinen erreichen, während sie gleichzeitig Flüssigkeit an den Rändern ihrer Kanten abgeben und an die Oberfläche drücken. Dieser Fragesteller, Lubbock Schrieb„Ohne Zweifel gibt es eine bessere Chance.“

Andere Gelehrte bestritten später diese Interpretation der Kolophorfunktion. Im 20. Jahrhundert war die am meisten akzeptierte funktionelle Erklärung für Kolophore – der einzige Teil des Körpers eines Federschwanzes, der Wasser anzieht – wie Eine Möglichkeit, Nährstoffe aufzunehmen. Andere Verwendungen wurden im 21. Jahrhundert vorgeschlagen: Es kann sein Selbstreinigendes Werkzeug oder ein Weg dazu Zeichnet einen Federschwanzsprung.

Dr. Ortega Jimenez, dessen Forschung sich auf die Fortbewegung von Tieren konzentriert, interessierte sich für eine Schweiffeder, als er sie in der Nähe eines Baches springen sah. Wohingegen man glaubte, Tiere könnten sich nur in eine Richtung orientieren und dann Wild in der Luft herumwirbelnAls die Arthropoden vom Ufer ins Wasser und zurück sprangen, bemerkte Dr. Ortega Jimenez, dass sie anscheinend genau dort gelandet waren, wo sie begonnen hatten. Dies erfordert eine gewisse Kontrolle während des gesamten Sprungs.

Zurück im Labor begann Dr. Ortega Jimenez, Springschwänze im Flug zu filmen, und entwarf einen kleinen Windkanal, um zu sehen, wie die Tiere mit unterschiedlichen Wetterbedingungen umgehen. Er fand heraus, dass das Kolophor des Springschwanzes an allen Teilen des Sprungs beteiligt war.

Während des Starts, als der Schwanz der Quellen auf eine schwanzartige Fracula aus dem Wasser traf, nahmen die Kolophore einen Wassertropfen auf. Wenn sich die Tiere in der Luft drehten, bogen sie ihre Körper in eine U-Form, was ihre Drehung verlangsamte und es ihnen schließlich ermöglichte, wie kleine Superhelden direkt durch die Luft zu fliegen.

Wenn sie in einem Windkanal auf den Kopf gestellt wurden, konnten sich die Schwanzfedern mit Wassertropfen auf ihrem Gehäuse in weniger als 20 Millisekunden umdrehen, schneller als jedes zuvor aufgezeichnete Tier. Die Truhen kamen heraus, der pulsierende Schwanz senkte sich und das Wasserkolophor gab ihm eine festere Basis und eine klebrige Haftung an der Oberfläche.

„Sie sprangen mit dem Fallschirm und landeten auf ihren Füßen“, sagte Dr. Ortega Jimenez.

Unter Verwendung mathematischer Modelle stellten die Forscher fest, dass die Schweiffedern mit Wassertröpfchen auf ihren Gehäusen viel weniger schwankten, als sie landeten, als der Schwanz der trockenen Quellen. Sie können in der Hälfte der Zeit auf den Beinen sein. Obwohl Kolophore wahrscheinlich andere Funktionen haben, scheint ihre Rolle beim Springen – während des Starts, Flugs und der Landung – entscheidend zu sein, sagte Saad Bahla, ein Biomechaniker am Georgia Institute of Technology, der auch an der Forschung arbeitete. „Das ist für mich das coole Feature hier“, sagte er.

Dr. Bhamla half dabei, die Robotik einzubringen, die einen federbasierten Heckroboter entwarf, der sich in der Luft selbst korrigieren und in 75 Prozent der Fälle auf den Füßen landen kann. Er sagte, dass diese Art der Steuerung in der Robotik, die sich oft auf den Start konzentriert, nicht gut untersucht wurde. Eine Maschine zu bauen, die ständig auf den Beinen landen kann, bedeutet, eine Maschine zu bauen, die früher sprungbereit ist. Denn wenn sie den Sprung kontrollieren können, können sie ihn immer und immer wieder machen“, sagte Dr. Bhamla. „Das ist interessanter.“

Dr. Ortega Jimenez sagte, dies könnte auch eine evolutionäre Erklärung für Springtail-Hopfen liefern. Während es zu diesem Zeitpunkt viele Spekulationen gibt und „die Evolution dieser springenden Bestien ein Rätsel ist“, ermöglicht die schnelle Erholung vom Sprung dem Springer, Raubtieren besser zu entkommen. „Vorbereitung ist überlebenswichtig“, sagte Dr. Ortega Jimenez.

Die Forscher waren überrascht, bei so kleinen Tieren so viel Kontrolle zu finden. Aber die Dynamik auf kleinen Skalen ist oft kontraintuitiv, und selbst grundlegende Merkmale werden leicht übersehen. Ein bisschen Wasser im Magen kann alles verändern.

„In Bezug auf das Design ist es sehr einfach“, sagte Dr. Bhamla. „Er sagt: ‚Warum habe ich nicht daran gedacht?’“ „