Приходилось ли вам когда-либо наблюдать за гекконом, бегающим по стенам и потолку? Уверяю вас, это захватывающее зрелище. Эти маленькие тропические ящерицы вызывают наше восхищение своим умением удерживаться практически на любой поверхности. Гекконы способны карабкаться по крутым склонам, взбираться по гладкой стене со скоростью 1 м за секунду и даже бегать вверх тормашками по потолку из полированного стекла (!).

При этом, находясь на стене, гекконы могут поддерживать вес тела всего одной лапкой. Альпинисты могут только позавидовать таким трюкам. Но как же гекконам это удается?

Фотография геккона на гладкой вертикальной поверхности © Kellar Autumn

Поиск разгадки

Экстраординарная способность гекконов оставалась загадкой со времен Аристотеля, который наблюдал за ними еще в 4 столетии до н.э. Секрет прилипания гекконов стал темой для многих научных исследований.

Эти ящерицы могут перемещаться таким образом благодаря растопыренным ступням, похожим на ладони. У гекконов на пальцах есть маленькие гребни, покрытые тонкими волосками (щетинками). Пальцы геккона прилипают практически к любому материалу (металл, древесина, стекло, гранит) при любых условиях (даже под водой или в вакууме), и при этом они никогда не загрязняются, не изнашиваются и не прилипают случайно к ненужным местам. Просто фантастика, не правда ли?

Объяснение этих способностей геккона оказалось настоящим вызовом для ученых, а поиск разгадки занял почти 100 лет. У гекконов нет желез, выделяющих секрецию, так что теория о клейких веществах отпала изначально.

Предлагались несколько объяснений:

Присасывание? Присоски работают благодаря тому, что давление воздуха на одной стороне не уравновешивается, если на другой стороне есть вакуум. Лапки геккона могут прилипать к поверхности в вакууме, где нет давления воздуха, поэтому присасывание не может быть объяснением.

Электростатическое притяжение? Оно возникает между электрически заряженными объектами, например, между пластмассовой расческой, потертой тканью и маленькими кусочками бумаги. Но когда ученые создали условия, при которых любой заряд исчезал, лапки геккона все равно прилипали.

Трение? Но кератин - белок, который вырабатывается в коже, - оказывается слишком "скользким". К тому же, трение не может объяснить передвижение по потолку.

Сцепление между шероховатыми поверхностями? Но гекконы могут прилипать даже к полированному стеклу.

В конечном итоге ученые открыли, что благодаря близкому контакту щетинок на лапках с поверхностью гекконы используют связи ближнего взаимодействия между молекулами, т.е. они прилипают посредством сил Ван-дер-Ваальса, названных так в честь голландского физика в конце 19 века.

Эта сила действует на очень маленьких расстояниях (между молекулами) и резко уменьшается при увеличении расстояния между поверхностями. Она начинает действовать только тогда, когда поверхности максимально близко приближаются одна к другой. Но чтобы такая слабая сила удерживала геккона на вертикальной стене, необходима огромная площадь близкого контакта между лапкой геккона и поверхностью.

Поразительный дизайн

Сложнейшее строение лапок геккона обеспечивает такую возможность. Используя электронный микроскоп, ученые изучали геккона Токи (Gekko gecko). Они обнаружили, что на его пальцах находятся очень тонкие волоски (щетинки), длиной всего 100 микрометров или 0,1 миллиметра (две толщины человеческого волоса). Они очень плотно размещены - до 14400 щетинок на 1 мм² или около 1,5 миллиона на см² (См. рис. 4б)

Однако, это еще не все. Каждая щетинка, в свою очередь, на конце расходится в 400-1000 ответвлений. (Рис 4в). Каждое ответвление заканчивается на конце треугольной лопаточкой (Рис 4г, 4д). Эти лопаточки невероятно крохотные и составляют в ширину всего 0,2 микрометра (2/10 000 миллиметра). Только задумайтесь над этими цифрами: каждая лапка геккона площадью контакта чуть больше 1 см² может прикасаться к поверхности двумя миллиардами окончаний! Просто очевидное невероятное!

Рис. 4. Вид лапки геккона. © Kellar Autumn

 Чтобы разместить такое же количество человеческих волос с плотностью средней шевелюры, потребовалась бы площадь целого футбольного поля. Обычная лапка геккона имела бы намного меньшую площадь близкого контакта, лишь в отдельных местах молекулы лапки очень близко приближались бы к поверхности. А особенная лапка геккона, благодаря плотному размещению щетинок и их разделению (на конце) до тысячи разветвлений, имеет в миллионы раз большую площадь близкого контакта, а значит и силу прилипания (силы Ван-дер-Ваальса). Именно дизайн (геометрия), а не химический состав поверхности, дает возможность геккону удерживаться даже на потолке.

Удивительные способности

Но оказалось, что отдельная щетинка имеет силу притяжения в 10 раз больше, чем ожидалось. Одна щетинка геккона достаточно крепка для удержания целого муравья. Теоретически, 6 миллионов щетинок геккона могут генерировать силу, достаточную для удержания навесу двух человек.

Фотография геккона на стекляном потолке.

 Это говорит о том, что геккону достаточно использовать всего пару процентов своих щетинок для удержания на поверхности. Такой потенциал для него жизненно важен в природной среде обитания: на неровных загрязненных поверхностях, при тропических штормах и т.д.

Но как же при такой силе сцепления геккон отрывает свою лапку? Обладание подобной конечностью было бы бессмысленным, если бы геккон мог только прилипать - ему нужно также быстро отлипать. Поэтому, еще более удивительной и впечатляющей является способность геккона прилеплять и отлеплять лапку от поверхности целых 15 раз в секунду!

Оказывается, сила прилипания изменяется в зависимости от угла между щетинкой и поверхностью. Сила взаимодействия будет намного больше, если щетинки слегка прижать к поверхности, а затем протянуть, уменьшив угол (геккон это делает, когда ставит лапку).

Щетинка может открепляться под углом более 30°. Геккон управляет "прилипанием" и "отлипанием", используя необычайно сложное поведение, и все это происходит без существенных затрат энергии. Еще одно интересное свойство заключается в том, что лапки геккона самоочищаются, в отличие от клейкой ленты, на которую быстро налипает грязь, приводя ее в полную негодность. Исследователи до сих пор пытаются понять, как геккону это удается.

Технологии будущего