Мухобойка поднимает ветер

Наталья Резник
Ната­лья Рез­ник

Дэвид Ху (David Hu), доцент Тех­но­ло­ги­че­ско­го инсти­ту­та шта­та Джор­джия (США);

Дэвид Ху, открыв­ший кон­стан­ты де­уринации и дефе­ка­ции мле­ко­пи­та­ю­щих и удо­сто­ен­ный в 2015 году Игно­бе­лев­ской пре­мии по физи­ке [1, 2];

Дэвид Ху, сле­дя­щий за поле­том кома­ров под дождем и в тумане [3], желал бы от этих кома­ров и дру­гих кро­во­со­сов вооб­ще изба­вить­ся, что­бы они не доку­ча­ли людям и живот­ным. Он пла­ни­ру­ет раз­ра­бо­тать устрой­ство, эффек­тив­но отго­ня­ю­щее насе­ко­мых, при­чем неслож­ное, эко­но­мич­ное и не загряз­ня­ю­щее окру­жа­ю­щую сре­ду [4].

Тех­ни­че­ские идеи иссле­до­ва­тель чер­па­ет в при­ро­де, а живот­ные отго­ня­ют кро­во­со­сов, пома­хи­вая хво­стом. Этот факт мож­но счи­тать дока­зан­ным: мно­го­чис­лен­ные наблю­де­ния сви­де­тель­ству­ют, что часто­та взма­хов зави­сит от коли­че­ства кро­во­со­су­щих насе­ко­мых. А их быва­ет мно­го: на одну лошадь садит­ся до тыся­чи мух в час, а коро­вы теря­ют из-за них по три­ста мил­ли­лит­ров кро­ви в день. Что­бы умень­шить сред­нее чис­ло насекомых/​укусов на живот­ное, копыт­ные соби­ра­ют­ся в боль­шие ста­да. Лоша­ди часто сто­ят рядом, голо­ва к хво­сту, защи­щая голо­ву и перед­нюю часть туло­ви­ща сосе­да.

Идея исполь­зо­вать хвост живот­ных для защи­ты от насе­ко­мых не нова. Опа­ха­лам и мухо­бой­кам, напо­ми­на­ю­щим хвост, не одна тыся­ча лет, а иные даже дела­ли из волос яков, быков или лоша­дей. Такие при­спо­соб­ле­ния попу­ляр­ны у буд­ди­стов, пото­му что поз­во­ля­ют отго­нять насе­ко­мых, не уби­вая. Науч­ных наблю­де­ний за вза­и­мо­от­но­ше­ни­я­ми «тра­во­яд­ное — комар» так­же предо­ста­точ­но, поэто­му Дэви­ду Ху и его коман­де было, отку­да чер­пать инфор­ма­цию. Одна­ко иссле­до­ва­те­ли, есте­ствен­но, про­ве­ли соб­ствен­ные изме­ре­ния, для чего отпра­ви­лись в зоо­парк Атлан­ты. Имен­но туда они ходят вся­кий раз, когда нуж­но опре­де­лить какие-либо физио­ло­ги­че­ские пара­мет­ры мле­ко­пи­та­ю­щих.

Рис. 1. Слон помахивает хвостом, отгоняя насекомых. Насекомые на видеозаписи не видны, но исследователи полагают, что он машет не просто так [4]
Рис. 1. Слон пома­хи­ва­ет хво­стом, отго­няя насе­ко­мых. Насе­ко­мые на видео­за­пи­си не вид­ны, но иссле­до­ва­те­ли пола­га­ют, что он машет не про­сто так [4]
Рис. 2. Зависимость между массой тела животного и параметрами движения его хвоста [4]
Рис. 2. Зави­си­мость меж­ду мас­сой тела живот­но­го и пара­мет­ра­ми дви­же­ния его хво­ста [4]

В зоо­пар­ке иссле­до­ва­те­ли засня­ли, как обма­хи­ва­ют­ся хво­ста­ми зеб­ры, жира­фы и сло­ны, а на фер­ме и в пар­ках Атлан­ты сде­ла­ли видео­за­пи­си дви­же­ния лоша­ди­ных и соба­чьих хво­стов (рис. 1). Потом видео­за­пи­си обра­бо­та­ли, опре­де­ли­ли пара­мет­ры дви­же­ния хво­стов и соот­нес­ли их с мас­сой тела живот­ных (рис. 2). Ока­за­лось, что дли­на хво­ста не изо­мет­рич­на (изо­мет­рия озна­ча­ет, что про­пор­ции тела неза­ви­си­мы от его раз­ме­ров). У круп­ных живот­ных хвост отно­си­тель­но коро­че и ампли­ту­да мень­ше. Раз­ли­ча­ет­ся и стиль маха­ния. Жира­фы, сло­ны и зеб­ры кача­ют хво­стом в одной плос­ко­сти. За коле­ба­ни­я­ми хво­ста лоша­ди труд­но наблю­дать, пото­му что у него очень длин­ные воло­сы, кото­рые раз­ве­ва­ют­ся во вре­мя дви­же­ния. Соба­ки часто под­ни­ма­ют хвост и рубят им воз­дух, поэто­му ампли­ту­ду его дви­же­ний изме­ря­ли отно­си­тель­но поло­же­ния «вер­ти­каль­но вверх». Собак, кста­ти, потом исклю­чи­ли из иссле­до­ва­ния, пото­му что они виля­ют хво­стом неза­ви­си­мо от при­сут­ствия насе­ко­мых, напри­мер при виде опе­ра­то­ра, кото­рый их сни­ма­ет.

Дви­же­ние хво­ста опи­са­ли как дви­же­ние сочле­нен­но­го маят­ни­ка, в кото­ром кожа и часть кости обра­зу­ют верх­ний маят­ник, а кисточ­ка на хво­сте — ниж­ний. Когда такие длин­ные, тон­кие маят­ни­ки колеб­лют­ся с есте­ствен­ной часто­той, гра­ви­та­ци­он­ная потен­ци­аль­ная энер­гия пре­вра­ща­ет­ся в кине­ти­че­скую, и энер­гии рас­хо­ду­ет­ся мало. Одна­ко живот­ные дей­ству­ют актив­но. Их хво­сты рас­ка­чи­ва­ют­ся в 3 раза чаще, чем качал­ся бы маят­ник такой же дли­ны, а энер­гии на это ухо­дит в 27 раз боль­ше. Зачем?

Иссле­до­ва­те­ли пред­по­ло­жи­ли, что хво­стом мле­ко­пи­та­ю­щие сби­ва­ют насе­ко­мых в воз­ду­хе. Одна­ко под­сче­ты пока­за­ли, что это не так. Соглас­но лите­ра­тур­ным дан­ным, на 1 акр зем­ли при­хо­дит­ся око­ло 80 кома­ров. В этом слу­чае лошадь с дли­ной хво­ста 1,4 м, часто­той взма­ха 0,66 Гц и ампли­ту­дой 63° попа­да­ла бы по кома­ру раз в пол­то­ры мину­ты. Такую резуль­та­тив­ность нель­зя назвать высо­кой. Так как же хвост отго­ня­ет насе­ко­мых? Навер­ное, под­ни­ма­ет ветер.

И тогда экс­пе­ри­мен­та­то­ры сде­ла­ли уни­вер­саль­ную модель хво­ста. Посколь­ку насто­я­щие хво­сты силь­но раз­ли­ча­ют­ся раз­ме­ром и фор­мой, а осо­бен­но кисточ­кой на кон­це, модель пред­став­ля­ла собой чер­ную пла­сти­ко­вую поло­су, при­креп­лен­ную к вен­ти­ля­тор­но­му мотор­чи­ку. Ско­рость его вра­ще­ния мож­но регу­ли­ро­вать. Поло­са тем­ная, пото­му что таков цвет насто­я­щих хво­стов.

Дос­кой с при­креп­лен­ным к нему вен­ти­ля­то­ром накры­ва­ли про­зрач­ный акри­ло­вый цилиндр высо­той 30 см, внут­ри кото­ро­го нахо­ди­лись десять жел­то­ли­хо­ра­доч­ных кома­ров Aedes aegypti. Цилиндр встря­хи­ва­ли, что­бы все кома­ры взле­те­ли, и на две мину­ты вклю­ча­ли вен­ти­ля­тор. За это вре­мя все насе­ко­мые куда-нибудь сади­лись и боль­ше уже не взле­та­ли. Садить­ся они пред­по­чи­та­ют на шеро­хо­ва­тую поверх­ность, а стен­ки цилин­дра глад­кие. К тому же кома­ры в ста­кане все­гда летят вверх, а не вниз. Поэто­му, когда цилиндр встря­хи­ва­ли, насе­ко­мые устрем­ля­лись наверх, на шеро­хо­ва­тую крыш­ку. Но меж­ду ними и поса­доч­ной поверх­но­стью ока­зы­вал­ся хво­сто­и­ми­та­тор. Уче­ные запус­ка­ли вен­ти­ля­тор с 17 раз­ны­ми ско­ро­стя­ми, от 0 до 5,6 м/​с, дви­же­ние кома­ров при каж­дой ско­ро­сти наблю­да­ли три­жды. Когда вен­ти­ля­тор выклю­чен, кома­ры бес­пре­пят­ствен­но сади­лись на крыш­ку и на стен­ки доста­точ­но близ­ко от лопа­стей. При вклю­чен­ном вен­ти­ля­то­ре они, кажет­ся, и не подо­зре­ва­ют о том, что лопа­сти дви­жут­ся, пока не под­ле­тят совсем близ­ко. Тогда они шара­ха­ют­ся в сто­ро­ну и садят­ся на стен­ку, при­мер­но вдвое даль­ше, чем при выклю­чен­ном устрой­стве (рис. 3).

Рис. 3. Тра­ек­то­рия поле­та кома­ра при выклю­чен­ном (А) и вклю­чен­ном (Б) вен­ти­ля­то­ре. Началь­ное поло­же­ние насе­ко­мо­го отме­че­но кру­жоч­ком, конеч­ное — звез­доч­кой. На фото­гра­фии ско­рость вклю­чен­но­го вен­ти­ля­то­ра — 3,8 м/​с, часто­та дви­же­ния — 6 Гц [4]

Иссле­до­ва­те­ли рас­счи­та­ли ско­рость вет­ра при раз­ных ско­ро­стях вен­ти­ля­то­ра. Она умень­ша­ет­ся экс­по­нен­ци­аль­но. При ско­ро­сти вра­ще­ния лопа­стей 3,8 м/​с ско­рость воз­душ­но­го пото­ка в плос­ко­сти вен­ти­ля­то­ра такая же, на рас­сто­я­нии 5 мм она рав­на 1,3 см/​с и все­го 0,004 см/​с в одном сан­ти­мет­ре от дви­жу­щих­ся лопа­стей. Неуди­ви­тель­но, что насе­ко­мые не ощу­ща­ют вет­ра, пока не достиг­нут плос­ко­сти вра­ще­ния лопа­стей.

Что­бы поме­шать посад­ке, ско­рость вет­ра долж­на быть сопо­ста­ви­ма со ско­ро­стью поле­та насе­ко­мо­го. Сред­няя ско­рость кома­ра око­ло 0,3 м/​с, мак­си­маль­ная — 1,4–1,8 м/​с. Иссле­до­ва­те­ли под­счи­та­ли, что ско­ро­сти хво­ста 0,85–1,17 м/​с доста­точ­но, что­бы ото­гнать поло­ви­ну кома­ров. Воз­мож­но, живот­ные бы и силь­нее маха­ли, но им это может быть тяже­ло.

Если насе­ко­мое все-таки про­ры­ва­ет­ся сквозь ветер и садит­ся на кожу, хвост из вен­ти­ля­то­ра пре­вра­ща­ет­ся в мухо­бой­ку. Что­бы при­хлоп­нуть кро­во­пий­цу, нуж­но при­ло­жить момент силы 10–100 Н×м. Живот­ные охло­пы­ва­ют себя хво­ста­ми по бокам, при этом слон при­кла­ды­ва­ет момент силы 350 Н×м, сопо­ста­ви­мый с момен­том седа­на «Хон­да Аккорд». Взрос­лый чело­век весом 75 кг пры­гая раз­ви­ва­ет момент 200 Н×м. Хвост жира­фа весит не 11 кг, как у сло­на, а все­го 3 кг, его момент состав­ля­ет око­ло 40 Н×м. Соглас­но рас­че­там, со вре­ме­ни, когда живот­ное почув­ству­ет насе­ко­мое на сво­ей коже, до того, как оно нане­сет удар, прой­дет 0,63–1,3 с. Этой ско­ро­сти доста­точ­но, что­бы при­бить кома­ра или муху до того, как они уку­сят.

Итак, хвост, рабо­та­ю­щий как вен­ти­ля­тор и мухо­бой­ка, доста­точ­но эффек­тив­но уни­что­жа­ет насе­ко­мых и может слу­жить про­то­ти­пом защит­но­го устрой­ства. Дэвид Ху — не пер­вый, кому при­шла в голо­ву идея отго­нять кома­ров вен­ти­ля­то­ром. Некая фир­ма уже выпус­ка­ет и про­да­ет дву­ло­паст­ной настоль­ный вен­ти­ля­тор, кото­рый вра­ща­ет­ся в гори­зон­таль­ной плос­ко­сти и поз­во­ля­ет спо­кой­но гото­вить и есть на откры­том воз­ду­хе, отго­няя мух и кома­ров. Иссле­до­ва­те­ли про­те­сти­ро­ва­ли его в сво­ем ста­кане с кома­ра­ми и нашли, что он не так эффек­ти­вен, пото­му что потреб­ля­ет боль­ше энер­гии. И фор­му лопа­стей не меша­ло бы под­пра­вить. Спра­вед­ли­во­сти ради отме­тим, что созда­те­ли при­бо­ра не пла­ни­ро­ва­ли исполь­зо­вать его в таких усло­ви­ях.

Все выклад­ки Дэви­да Ху отно­сят­ся к кома­рам и дру­гим мел­ким насе­ко­мым, кото­рые лета­ют со ско­ро­стью око­ло мет­ра в секун­ду. Круп­ные мухи раз­го­ня­ют­ся до 8 м/​с. Чем быст­рее летит насе­ко­мое, тем менее эффек­ти­вен хвост. Но в запа­се у мле­ко­пи­та­ю­щих есть и дру­гие тех­ни­ки: сокра­ще­ние под­кож­ных мышц, тря­се­ние голо­вой и пря­де­ние уша­ми. А нам хотя бы с кома­ра­ми для нача­ла спра­вить­ся.

Ната­лья Рез­ник

  1. Кома­ров С. Меха­ни­ка мяг­кой силы /​/​ Химия и жизнь, 2017, № 6, сс. 38–40
  2. Рез­ник Н. Успеть за 12 секунд /​/​ ТрВ-Нау­ка, 2017, № 229, с. 15
  3. Химия и жизнь, 2012, № 12, с. 23
  4. Matherne M. E., Cockerill K., Zhou Y., Bellamkonda M., Hu D. L. Mammals repel mosquitoes with their tails /​/​ J. Exp. Biol. 2018, 221, jeb178905, doi: 10.1242/jeb.178905

Если вы нашли ошиб­ку, пожа­луй­ста, выде­ли­те фраг­мент тек­ста и нажми­те Ctrl+Enter.

Связанные статьи

2 комментария

  1. Заме­ча­тель­ные ста­тьи про насе­ко­мых, вре­ди­те­лей и пара­зи­тов. Очень инте­рес­но пока­за­ны их вза­и­мо­дей­ствия с их жертвами.Спасибо,Наталья

  2. Инте­рес­нее бы про слеп­ней, от них даже на вело­си­пе­де на ско­ро­сти до 40 км/​ч не могу ото­рвать­ся. Навер­ное и хвост тут не помо­жет.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Оценить: 
Звёзд: 1Звёзд: 2Звёзд: 3Звёзд: 4Звёзд: 5 (5 оценок, среднее: 4,60 из 5)
Загрузка...
 
 
 

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: