Эврика! (дайджест новостей науки)
Водоплавающие муравьи многому научат
Американские ученые всесторонне изучили способность огненных муравьев образовывать живые плоты, которые могут дрейфовать на поверхности воды месяцами. Выживать в непростых условиях насекомых «научили» влажные леса. Отчасти благодаря этому умению «оккупанты» распространились по всему миру.
Казалось бы, тысячи муравьев просто обязаны утонуть под тяжестью своего суммарного веса. Однако этого не происходит, и биологи из года в год наблюдают, как порою целые колонии муравьев передвигаются по затопленным территориям и сплавляются вниз по рекам родной Южной Америки. Исследователи из Технологического института Джорджии выяснили, как им это удается.
В серии экспериментов энтомологи бросали в воду кучки муравьев и смотрели, сколько особей создают плот, как он изменяется во времени, измеряли скорость передвижения кусачих насекомых по головам сородичей, замораживали плоты в жидком азоте, чтобы тщательно изучить, какие структуры образуют муравьи.
Экзоскелет муравьев является гидрофобным, попросту говоря, не намокает при соприкосновении с водой. Отдельный муравей не тонет в воде за счет подъемной силы пузырька, который образуется на волосках туловища насекомого, и поверхностного натяжения жидкости.
Попадая в воду, муравьи быстро рассредоточиваются по поверхности, крепко цепляясь друга за друга. Образуется нечто вроде плотно сплетенного блина. При этом те насекомые, которые частично опускаются под воду, не погибают, так как могут дышать воздухом из пузырьков.
В статье, опубликованной в PNAS, американские инженеры рассказывают о создании моделей живых плотов. Эти компьютерные расчеты могут пригодиться при создании новых водоотталкивающих материалов и самостоятельно восстанавливающихся спасательных плотов, а также самосборных автономных роботов.
-----------------------------------------------
Вот и катись отсюда!
Убегающая от хищника гусеница способна за 0,1 секунды свернуться в кольцо и развить скорость более 20 сантиметров в секунду, перекатываясь, как колесо. Такой специфический способ побега удалось воcпроизвести мягкому роботу.
Инженеры и биологи из американского Университета Тафтса объединили усилия и построили устройство по имени GoQBot, которое использует любопытную технику «аварийного» перемещения гусениц.
Как объясняет статья в журнале «Bioinspiration & Biomimetics», резкое сворачивание в кольцо, которое прокатывается по поверхности, является одним из самых быстрых «колесных» движений в живой природе. Причем авторы исследования подчеркивают: как именно мускулатура гусениц генерирует в столь краткое мгновение солидный всплеск мощности — до сих пор не изучено до конца.
Отсутствие полной ясности с биомеханикой не помешало создать искусственный аналог спасающейся гусеницы. Ученые построили 10-сантиметрового мягкотелого робота. Он состоит из силиконовой резины, а в действие приводится за счет встроенных катушек из сплава с памятью формы. При их включении бот развивает ускорение около 1 g и раскручивается более чем до 200 оборотов в минуту. Максимальная скорость GoQBot превышает полметра в секунду.
Пять инфракрасных излучателей по бокам робота помогли отслеживать его движение с помощью скоростных камер. Экспериментируя с машиной, исследователи смогли объяснить, почему гусеницы не используют «колесную» технику передвижения как стандарт. Увы, этот метод действует только на ровной поверхности и к тому же требует большого количества энергии.
Однако роботы могли бы заимствовать у гусениц умение переключаться между различными режимами перемещения. На открытых пространствах мягкие машины катились бы с высокой скоростью, а на пересеченной местности переходили бы на движение ползком.
-----------------------------------------------
На то он и мозг, чтобы схитрить
Нехватка сна приводит к тому, что отдельные области мозга начинают хаотично «выключаться», несмотря на то, что животное бодрствует. Странное явление обнаружили специалисты из США, проводившие опыты на крысах.
В эксперименте биологи из Университета Висконсина в Мэдисоне при помощи различных уловок не давали грызунам спать дольше некоего минимума. Чтобы понять, что при этом происходит с мозгом животных, на них навесили миниатюрные электроэнцефалографы, а в лобный и теменной отделы коры имплантировали массив электродов.
Изучив сканы электрической активности мозга, биологи обнаружили, что некоторые регионы коры головного мозга переходят в режим медленного сна. Но картина отличалась от обычного глубокого сна — не наблюдалась такая синхронизация мозговых волн.
Заставив недоспавших крыс выполнить простое задание с вознаграждением, ученые определили, что животные ошибаются тем чаще, чем больше нейронов «отключается». С точки зрения биологии сон отдельных групп нейронов может быть выгоден организму. Пока часть клеток мозга работает, другие восстанавливают силы.
Проведенные опыты помогут понять, что в подобных ситуациях происходит в головах обычных не выспавшихся или вовсе не спавших людей, сомнамбул, какова природа сна и зачем он вообще нужен.
-----------------------------------------------
Пресно-соленая электростанция
Хитроумно подобранные материалы для электродов способны эффективно генерировать электрический ток из чередования потоков пресной и соленой воды.
Устья рек, впадающих в моря и океаны, могли бы обеспечить мир гигантским количеством энергии, сопоставимым с выработкой всех обычных электростанций. Однако КПД систем, опирающихся на разность в солености речной и морской воды, пока невысок.
А вот специалисты из Стэнфорда считают, что для прорыва в данной области нужно отказаться от попыток впрячь осмос и обратиться к другому способу. В основе их генератора — два электрода, один из которых притягивает положительно заряженные ионы натрия, а второй — отрицательные ионы хлора. Цикл начинается, когда между этими пластинами пропускают пресную воду. Прикладывая к электродам небольшое напряжение, можно вынудить ионы из электродов перейти в воду.
Второй шаг — пресная вода заменяется на морскую. Концентрация соли в ней намного выше, и ионы начинают быстро насыщать электроды. Так создается разность потенциалов и генерируется ток.
Следующий шаг — насыщенные ионами электроды больше не отдают энергию, отработанная морская вода удаляется, а на ее место закачивается речная. При помощи скромного напряжения электроды вновь освобождаются от ионов, чтобы можно было замкнуть круг.
«Technology Review» сообщает, что ученые сумели извлечь 74 % потенциальной энергии, которая заложена «на стыке» морской и пресной воды. При этом аппарат не выказывал никакого снижения производительности даже после 100 циклов.
Для извлечения энергии из воды новым методом исследователи применили в качестве положительного электрода наностержни из диоксида марганца. Они обладают очень большой площадью поверхности, быстро принимают и отдают ионы натрия в ходе цикла.
Если удастся построить такой работающий пилотный комплекс, он откроет заманчивые перспективы в плане выработки энергии для городов, расположенных на берегах морей и океанов.
-----------------------------------------------
Почему свиньи грязь любят?
Стремление свиней валяться в грязи, казалось бы, давно изучено и тщательно препарировано. Но исследователь из Нидерландов взглянул на это типичное поведение хрюшек со свежей точки зрения.
У свиней нет рабочих потовых желез, и оттого грязевые ванны им просто необходимы для регулирования температуры тела. Кроме того, грязь помогает избавляться от паразитов. Эти две главные причины заставили свиней найти «грязевой» выход из затруднительного положения. Такова текущая версия науки. Но Марк Бреке из Университета Вагенингена считает, что его предшественники перепутали причину и следствие.
Согласно теории Марка, свиньи не приняли практику валяния в грязи из-за своих нефункциональных потовых желез, а наоборот, эти животные (их предшественники) не развили когда-то данные железы именно из-за того, что так много любили валяться в грязи и охлаждение при помощи пота им не требовалось. Марк считает, что для свиней такое поведение может быть просто «признаком хорошей жизни» и «вознаграждением самим по себе». И восходит, мол, эта любовь к воде еще к очень дальним предкам.
-----------------------------------------------
Киты удивили прямотой
Новозеландские биологи из Университета Кентербери обнаружили, что киты-горбачи могут проплывать сотни и тысячи километров практически строго по прямой линии. Особой точностью отличились три кита, которые в разные месяцы разных лет не отклонялись от маршрута более чем на один градус, несмотря на течения.
В статье, вышедшей в журнале «Biology Letters», ученые пишут, что наблюдали в южных частях как Атлантики, так и Тихого океана 200-километровые прямые отрезки миграции. Больше всего биологов теперь интересует, как горбачи умудряются так точно ориентироваться в Мировом океане.
Первое, что приходит в голову, — магнитное поле Земли. Однако собранные данные не позволяют построить какой-то общей картины: слишком разными были точки отправления китов и вариации магнитного поля вдоль путей миграции.
Можно было бы предположить, что горбачи осуществляют навигацию по солнцу. Однако животные совершают длительные вояжи под водой, что по идее должно мешать этому процессу.
Возможно, в ход идут сразу несколько источников информации?