Co umí ještěrka?

Mezinárodní tým vědců a inženýrů ze Spojených států a Spojených arabských emirátů objevil fyzikální mechanismus, který umožňuje ještěrům při útoku snadno shodit ocas, ale zároveň zajistí jeho bezpečné připevnění, když nehrozí žádné nebezpečí. Ukázalo se, že mechanismus souvisí se složitou povrchovou strukturou svalových vláken ocasu těchto zvířat. Aby vědci ověřili svou teorii, museli dokonce vytvořit polymerní analog plazího ocasu a otestovat na něm vrhací mechanismus. Autoři už plánují využít svůj vynález v robotice – vytvořit biomimetická zařízení, která jako ještěrka dokážou část sebe sama obětovat ve zvlášť složité situaci.

Schopnost ještěrek shazovat ocas je známá a popisovaná již od starověku, takže se může zdát zvláštní, že vědci tuto problematiku zkoumají i v dnešní době. Ale ve skutečnosti je tento mechanismus tak složitý a vyvolává tolik otázek, že se vše ukáže být přesně naopak – je zvláštní, proč všichni vědci na světě neodložili jiné věci a nezačali studovat pouze toto.

Za prvé, pokud je ocas pro ještěrky tak velkou překážkou v útěku před predátory, tak proč se jim ho během evoluce nepodařilo úplně zbavit – jako třeba žáby? Jaká je evoluční výhoda mít ocas, pokud jeho udržování vyžaduje vynalezení sofistikovaného mechanismu shazování?

Zadruhé, proč někteří ještěři vědí, jak rychle a snadno odhodit ocas, zatímco jiní, včetně blízce příbuzných druhů, buď úplně zapomněli, jak to udělat, nebo k tomu vyžadují podstatně více úsilí a podle statistik se to stává mnohem méně často?

Za třetí, je možné, když mluvíme o takových druzích, obecně používat slovo „zapomněli jak“? Nebo je neschopnost shodit ocas, jak se zdá logické, prastará, prapůvodní vlastnost plazů? A pokud ano, jsou tací, kteří opravdu kdysi uměli, a pak zapomněli, jak se zbavit ocasů? A proč se v určitém okamžiku evoluce takových plazů poměr přínosů posunul směrem ke ztrátě této exotické a komplexní dovednosti? A pokud je u některých druhů absence této schopnosti skutečně důsledkem ztráty, mohl by se v průběhu evoluce znovu objevit zcela nový vyhazovací mechanismus? A jak moc se bude podobat té, která existovala původně?

Za čtvrté, jak se ještěrkám vůbec daří udržovat rovnováhu výhod v otázce zachování jejich ocasu? Mnoho z nich si totiž ve svých ocasech ukládá cenné tukové zásoby, jejichž ztráta se téměř vždy jeví jako obrovské plýtvání (pokud zvíře nečeká bezprostřední smrt). A pokud je to velká ztráta, tak proč některé druhy shazují ocasy, i když se jich lehce dotknou nebo vyděsí?

A konečně, hlavní otázka se týká mechanismu: jak si ještěři udrží mechanickou pevnost svého ocasu téměř vždy, kromě případů, kdy ho úmyslně zamýšlejí shodit? První naivní teorie, které se pokoušely vysvětlit toto chování, byly čistě mechanické a předpokládaly existenci určitých „slabých míst“ v ocasu, podél kterých dochází při napětí k prasknutí. Samotná jejich existence ale zjevně nestačí, protože je spolehlivě prokázáno, že mrtví a bezvědomí ještěři nemohou odhodit ocas – jde o aktivní proces, který vyžaduje svalovou aktivitu.

Magazín Science, ve kterém článek vědců vyšel, o tom natočil podrobné video s detaily otevřeného mechanismu.

Ze všech těchto obtížných otázek se vědci z New York University a Abu Dhabi University rozhodli odpovědět na tu poslední – otázku mechanické pevnosti ocasu v podmínkách, kdy je ještěr ochoten nebo neochotný jej shodit. Je příznačné, že většinu výzkumného týmu ani netvořili biologové, ale inženýři a specialisté na nanomateriály – proto dokázali nejen teoreticky vysvětlit, ale i prakticky reprodukovat vrhací mechanismus na speciálně vytvořeném modelu z obyčejného polymeru .

Před touto prací byl stav poznání v této oblasti následující. Především se vědělo, že při utržení ocasu „klasickým“ mechanismem k prasknutí ve skutečnosti nedochází na náhodných místech, ale podél jedné ze speciálních „slabých“ rovin rozdělujících ocas na segmenty. Po oddělení neztrácí ještěrka téměř žádnou krev – pro tento účel je v její ocasní tepně odpovídající uzamykací svěrač a v žilách chlopně, které neumožňují průchod vzduchu. Po oddělení je v ocasu obvykle zachováno osm vyčnívajících svalových svazků, které odpovídají osmi otvorům v oblasti poranění na těle ještěrky. Obojí dohromady tvoří jakýsi konektor-zástrčka, na které v normálním životě spočívá ocas. Sílu úponu před přetržením zajišťují především svalová vlákna, protože síla obratlů v těchto místech je minimální a přetržení (u většiny ještěrek) jde podél těla obratle, nikoli mezi ně.

Meduza je v Rusku zablokována. Byli jsme na to připraveni – a pokračujeme v práci. Navzdory všemu

Potřebujeme vaši pomoc více než kdy jindy. Právě teď. V budoucnu to pro nás všechny bude ještě těžší. Jsme nezávislá publikace a pracujeme pouze v zájmu čtenářů.

Chci pomáhat Chci pomáhat

Již dříve se také vědělo, že při odtržení se svalová vlákna uvnitř ocasu samy o sobě nezničí – k přetržení dochází v místě jejich uchycení k ulitě z pojivové tkáně (svalové fascie). Proč však v jedné situaci tato vlákna pevně drží ocas a v jiné se od něj snadno oddělují, nebylo jasné. To bylo vysvětleno studiem mikrofotografií povrchů spojujících svaly a následnou reprodukcí mikrostruktury těchto povrchů v plastu.

Ukázalo se, že uchycení ocasů ještěrek a gekonů je v inženýrském smyslu překvapivě podobné tomu, jak je jejich tělo připevněno ke svislým plochám a dokonce i ke sklu díky klkům na tlapkách. Na povrchu svalových vláken ocasu tak vědci objevili složité, svázané houbovité struktury, které se dotýkají plochého povrchu pojivové tkáně svalu. Zhruba řečeno, ocas je připevněn k ještěrce stejným způsobem, jakým jsou její tlapky připevněny k povrchu skla.

Je důležité, aby „čepice“ houbovitých struktur na svalových buňkách byly pokryty myriádami nanopórů, které fungují jako drobné přísavky působící na kapilární sílu. Bez nich, jak ukázaly další experimenty s plastem, se adhezní síla mnohonásobně snižuje – to znamená, že „nanosapky“ jsou skutečně potřebné k udržení pevnosti ocasu v každodenním životě.

Zařízení „zástrčkového spojení“ mezi ocasem a tělem ještěrky je založeno na osmi svalových klínech-výběžcích, pokrytých nitěmi se speciálním povrchem.

Jak se tedy ještěrce podaří rychle snížit sílu svalového spojení v místě kontaktu, pokud nutně potřebuje shodit ocas? Odpovědí se ukázalo být triviálním opakováním mechanismu pohybu gekona na skle, to znamená, že došlo ke změně směru mechanického napětí.

Je známo, že když gekon visí na skle, chlupy na povrchu jeho nohou mezi sebou rovnoměrně rozloží váhu; v důsledku toho u žádného z nich nedochází k separaci (velmi podrobně si o tom můžete přečíst zde). Když chce gekon udělat krok, nesnaží se tlapku utrhnout kolmo k hladině, ale ohne ji pod úhlem. V tomto případě je síla nasměrována podél nejvzdálenějších klků, objeví se separační fronta a zvíře udělá krok. Funguje to v podstatě stejně jako u běžné lepicí pásky: lze ji odlepit, pokud táhnete za jeden okraj pod úhlem k povrchu, ale je to téměř nemožné, pokud je síla rozložena rovnoměrně po celé lepicí pásce.

Ukázalo se, že přibližně stejný mechanismus funguje u ještěrek a gekonů v ocasu: při tažení ocasu podél těla všechna mikroskopická svalová vlákna rozkládají síly rovnoměrně a nedochází k trhání. Když chce ještěrka odhodit ocas, ohne ho na stranu, uvnitř se na povrchu svalových vláken vytvoří separační fronta a ocas se snadno oddělí od zbytku těla. Tento mechanismus mimo jiné snadno vysvětluje neobvyklou skutečnost, že ještěrka není schopna odhodit ocas, pokud ho nedokáže ohnout. Například když vezmete ocas příliš blízko k pánevní oblasti nebo jej například příliš stáhnete.

Vědci už plánují využít výsledné umělé analogy ocasů v robotice, kde by se podobný mechanismus autotomie – tedy sebeamputace – mohl v případě nouze hodit. K reálné aplikaci to má samozřejmě hodně daleko, autoři o této možnosti pouze spekulují. A ani v případě ještěrek neodpovídá nové dílo na všechny otázky, které se vynořují.

Například na otázku, jak univerzální je tento mechanismus. Ve skutečnosti došlo u plazů během evoluce k vypadávání ocasu nejméně dvakrát. Ještěři, kteří tuto schopnost nejprve ztratili a poté znovu objevili, skutečně existují. Zdá se, že shazují ocasy poněkud jinak než ty, které byly studovány v nové práci – alespoň je známo, že jejich prasknutí je mezi obratli, a ne uvnitř nich. Není jasné, jak odlišný je mechanismus jejich autotomie na mikroúrovni. Ještě zajímavější je otázka evoluční rovnováhy: jak se autotomie v principu během evoluce objevuje a proč někdy mizí?

Minimálně je jasné, že tato vlastnost, ač exotická, vznikla v dějinách života mnohokrát a u různých skupin zvířat. Je například známo, že i savci mají částečnou schopnost autotomie: například křečci bavlníkové Sigmodon hispidus naučili neshazovat ocasy, ale svlékat kůži, a africké myši rodu Acomys v případě nebezpečí mohou obětovat kousky své srsti, která se pak rychle obnoví.

Alexandr Ershov

• Telegram
• Facebook
• Cvrlikání