Szybsza niż Django i Rio Bravo. Mrówka o wyjątkowej szczęce

Mrówka miałaby tylko problem z podniesieniem rewolweru, bo uzbrojenie jest wbudowane w jej głowę. Odontomachus brunneus to mrówka zamieszkująca południowo-wschodnie USA, Amerykę Środkową i część Karaibów. Mrówka, która dopada swoje ofiary z prędkością, która powinna... rozerwać jej własną głowę.

Większość mrówek zręcznie chwyta i odgryza swoje jedzenie parą żuchw przypominających pałeczki. Ale rodzina mrówek, do której należy O. brunneus robi coś innego. Jej długie, proste szczęki zatrzaskują się jak pułapka, uderzając w ofiarę w czasie 0,77 mikrosekund. 

Mrówki w zasadzie nie powinny mieć takich zdolności. Tak szybkie i potężne ciosy wiążą się z pewnymi przeszkodami. Zwierzęta wykorzystujące zmagazynowaną energię elastyczną do “wyrzucania" swoich kończyn jak katapulty - na przykład koniki polne - przy każdym odpaleniu mechanizmu ryzykują tym, że jeśli ruch nie będzie doskonale symetryczny, osobnik może zostać po prostu rozerwany przez ruch. Niezwykle rzadko zdarza się, że owady nie tylko potrafią wyzwolić tę moc, ale jednocześnie potrafią wykorzystywać te same kończyny do zręcznej manipulacji obiektami.

“Balistyczne" mrówki potrafią jednak swoimi szczękami rozrywać - i zręcznie manipulować. Do tego ewidentnie błyskawiczne kłapnięcia nie prowadzą do eksplozji ich głów. Zaskoczona tym, pozornym paradoksem, Sheila Patek z Duke University w USA wraz z kolegami z amerykańskich i brytyjskich uczelni zabrała mrówki do laboratorium, gdzie mogły swobodnie korzystać z żuwaczek. Zespół opublikował swoje odkrycie w Journal of Experimental Biology.

Badacze ustalili, że mrówki jednocześnie pchają i ciągną żuwaczki, wykorzystując energię zmagazynowaną w ścięgnie znajdującym się w ich głowach i egzoszkielecie, napędzając je w idealnym łuku, co pozwala im wielokrotnie używać ich bez bólu głowy.

Aby odkryć sekret mrówek balistycznych pozwalający uniknąć samozniszczenia, Chi-Yun Kuo (Uniwersytet Duke'a) delikatnie zamocował mrówki przed szybką kamerą filmującą z prędkością 300 tys. klatek na sekundę, aby uchwycić błyskawiczny manewr. "Kiedy odtwarzaliśmy filmy w zwolnionym tempie, ich uderzenia były spektakularnie precyzyjne" - mówi Patek.

Natychmiast po zwolnieniu, żuwaczki obracały się idealnie po łuku przez pierwsze 65 stopni, osiągając maksymalną prędkość obrotową 470 000 obr./min, podczas gdy czubki długich na 1,38 mm szczęk przecinały powietrze z prędkością 54,4 m/s. "Zdaliśmy sobie sprawę, że cała głowa odkształca się, aby przechowywać energię potencjalną" - mówi Patek.

Gdy owady uwolniły swoje miażdżące żuchwy, zespół odkrył, że energia zmagazynowana podczas deformacji egzoszkieletu głowy była wystarczająca, aby wprowadzić żuchwy w idealną rotację o 33 stopnie, podczas gdy energia zmagazynowana w sprężystym ścięgnie łączącym żuchwę z mięśniem przywodziciela wewnątrz głowy (stanowiącym 14% masy ciała mrówki) zasilała pozostałe 32 stopnie ruchu.

Mięsień mógł rozciągać ścięgno łączące mięsień z wewnętrznym końcem żuchwy, jednocześnie deformując egzoszkielet głowy, magazynując energię w obu strukturach, gdy żuchwa czekała na “wystrzelenie". Następnie, gdy tylko zatrzask utrzymujący żuchwę w miejscu został zwolniony, energia zgromadzona w naciągniętym sprężystym ścięgnie odciągała wewnętrzny koniec żuchwy do tyłu, podczas gdy zdeformowany egzoszkielet powracał do pierwotnego kształtu - jednocześnie popychając żuchwę do przodu.

Mrówki Odontomachus brunneus znalazły mechanizm, który pozwala im koordynować przeciwstawne siły napędzające idealny obrót żuchwy, nie obciążając delikatnego stawu, wokół którego obraca się żuchwa, aby uniknąć uszkodzeń, niezależnie od tego, jak często mrówka uderza. Badacze sądzą, że tej samej sztuczki moglibyśmy nauczyć nasze własne urządzenia, na przykład roboty. "Zasady te można włączyć do mikrorobotyki, aby poprawić wielofunkcyjność, precyzję i trwałość ultraszybkich systemów" - piszą autorzy badania.