Bestudeer hoe ‘s werelds grootste waterboom op het water springt

Schaatsenrijders leven op het wateroppervlak en hun poten variëren van enkele tot meer dan 100 mm lang. Het is bekend dat ze hun lange, hydrofobe benen gebruiken om hun lichaam op het oppervlak te steunen zonder het te breken. Onder elk been buigt het wateroppervlak en vormt een kuiltje (meniscus). Zwaardere waterstriders creëren diepere kuiltjes, die een sterkere opwaartse kracht produceren van het zich naar beneden uitstrekkende oppervlak van het water dat het lichaam van het insect ondersteunt.

Wanneer de waterschaatser roofdieren ontwijkt die van onder water aanvallen, springt hij omhoog. Hun sprong kan binnen een fractie van een seconde (10-20 ms) een snelheid van meer dan 1 m/s bereiken zonder het wateroppervlak te breken, en er zijn robots geproduceerd die dit gedrag nabootsen.

Om deze sprongen te maken, bewegen waterschaatsers hun benen snel naar beneden tegen het wateroppervlak, maar niet zo snel dat het wateroppervlak ononderbroken blijft. In dit geval werkt elk kuiltje als een minitrampoline: hoe dieper het wordt ingedrukt, hoe sterker de opwaartse kracht die een snelle sprong mogelijk maakt.

Tot voor kort werd aangenomen dat alle waterskiërs deze kant op springen. Er zijn echter slechts enkele kleine soorten bestudeerd die slechts 10% van het volledige scala aan lichaamsgroottes van waterschaatsenrijders (10-60 mg) vertegenwoordigen, omdat ze direct beschikbaar zijn voor onderzoekers.

Recente onderzoeksexpedities om ‘s werelds grootste waterzigzaglijnen in de subtropische bossen van Vietnam te bestuderen, gevolgd door wiskundige modellen, hebben een nieuw springmechanisme ontdekt dat wordt gebruikt door de gigantische waterschaatsenrijder (Gigantometra gigas) en enkele andere waterschaatsenrijders met een lichaamsgrootte van meer dan ongeveer 80 mg.

Het onlangs gepubliceerde onderzoek werd uitgevoerd door een team van biologen en ingenieurs van de Nationale Universiteit van Seoul (Korea), het Museum en het Zoölogisch Instituut van de Poolse Academie van Wetenschappen (Polen), het Daegu Gyeongbuk Instituut voor Wetenschap en Technologie (Korea), de Vietnamese Academie voor Wetenschap en Technologie (Vietnam), de Nationale Universiteit van Vietnam (Vietnam) en de École Polytechnique (Frankrijk).

De studie onthulde een nieuw springmechanisme dat wordt gebruikt door gigantische waterladders, die 10 keer zwaarder zijn dan de algemeen bestudeerde. Veldonderzoek naar deze soort werd uitgevoerd in Bo Mat National Park, Vietnam met de hulp van de Bo Mat National Park Administration tijdens twee veldexpedities. De onderzoekers filmden hogesnelheidsvideo’s van gigantische waterlocomotieven die stuiteren in hun natuurlijke habitat en in transparante wateromheiningen in de buurt van de rivierbedding waar schaatsenrijders leven.

Het team merkte een fundamenteel verschil op in het springgedrag tussen deze gigantische waterzigzags en de typische kleine soorten die al bestudeerd waren. In tegenstelling tot kleinere waterskiërs breken gigantische waterskiërs het wateroppervlak wanneer ze tijdens een sprong op hun benen naar beneden drukken. Nadat hun poten het wateroppervlak doorbreken, bewegen de poten snel naar beneden, omringd door een luchtlaag die wordt opgevangen in en rond de lange haren op de poten van deze soort.

Wanneer een been omringd door lucht door het water beweegt, ervaart het een weerstandskracht, weerstand genaamd, die zijn beweging tegenwerkt. Dit is vergelijkbaar met de manier waarop een roeispaan wordt gebruikt om een ​​boot op het water voort te stuwen. Deze kracht duwt de gigantische waterladders omhoog tijdens het tweede deel van de sprong. Binnen een fractie van een seconde (ongeveer 40 milliseconden) bereikt een gigantische waterschaatsenrijder een lichaamssnelheid van ongeveer 1 m/s of meer. Hoewel het een nieuw springmechanisme gebruikt, is deze snelheid vergelijkbaar met die van kleinere soorten die eerder zijn bestudeerd.

Het team ontwikkelde vervolgens een wiskundig model van het springen van de waterskiër om de reden achter dit unieke springgedrag van gigantische waterskiërs te onthullen. Onderzoekers hebben ontdekt dat ‘s werelds grootste waterladder zo zwaar is dat hetzelfde mechanisme om het wateroppervlak niet te laten barsten simpelweg niet zou werken; Het zal resulteren in een langzamere sprong waardoor ze kwetsbaar worden voor roofdieren zoals vissen.

Door hun benen echter snel genoeg te bewegen om het wateroppervlak te breken en weerstand in het water te creëren, kunnen de insecten snel genoeg springen om te ontsnappen aan aanvallen van roofdieren. Het model voorspelt dat een schaatsenrijder zwaarder dan ongeveer 80 mg deze springmethode zou moeten gebruiken om een ​​snelheid te bereiken die hem kan beschermen tegen een aanval van een vis. Dit illustreert de belangrijke rol van natuurlijke selectie in de evolutie van een nieuw springmechanisme in de grote waterschaatsenrijder.

Deze bevinding laat zien dat waterskiërs verschillende springmechanismen gebruiken op basis van hun lichaamsgrootte. Het onderzoeksteam merkt op: “We hebben een nieuw springmechanisme onthuld dat wordt gebruikt door gigantische waterschaatsen. Deze ontdekking toont aan dat nauw verwante soorten verschillende fysieke mechanismen kunnen gebruiken, afhankelijk van hun grootte, ondanks hetzelfde gedrag (springen) voor dezelfde functie (ontsnappen aan roofdieren)”.

“Deze ontdekking is intrigerend vanuit zowel technisch als evolutionair perspectief, omdat het inspiratie biedt voor waterlopende robots en een sterke theoretische basis legt voor toekomstige vergelijkende analyses van meerdere soorten schaatsenrijders om de co-evolutie tussen lichaamsgrootte en springmechanisme in de schaatsenrijder te begrijpen “- een project dat het onderzoeksteam nu uitvoert.

Het werk is gepubliceerd in het tijdschrift Procedures van de National Academy of Sciences.