Gekoni jsou obyvatelé tropických a subtropických oblastí Starého a Nového světa. Tito ještěři žijí na kontinentech i ostrovech, areál jejich rozšíření je rozsáhlý. Gekoni mají jednu zvláštnost – dokážou se zdržovat téměř na jakémkoli povrchu. I jedna tlapka podpírá váhu těla zvířete. Povrch může být jakýkoli – dřevo, kámen, dokonce i leštěné sklo.
Staří Řekové věnovali pozornost schopnosti gekona pevně se držet čehokoli. Aristoteles se snažil pochopit princip zajištění ještěří tlapy a o gekony se zajímali i středověcí vědci. Studují se dodnes. Existuje několik teorií, které vysvětlují vynikající šplhací schopnosti těchto ještěrů.
Přísavky na prstech. Jedno z prvních vysvětlení, které vypadalo docela logicky. Po prozkoumání gekonovy tlapky pod mikroskopem se však ukázalo, že na prstech žádné přísavky nejsou. Mýtus o přísavkách bohužel přetrvává dodnes.
Elektrostatika. Další přijatelné vysvětlení, které bylo vyvráceno (ačkoli existuje určité potvrzení této teorie, budeme o nich mluvit níže), vytvořilo podmínky, za kterých prostě nemohl být náboj na tlapách gekona. Zvíře se stále pevně drželo hladkého povrchu.
Vyvrácení bylo přijato ve 30. letech minulého století. Německý vědec Wolf-Dietrich Dellit nasměroval proud ionizovaného vzduchu na tlapky gekona, který se držel na kovovém povrchu. Ionizace by podle Dellita měla neutralizovat nebo výrazně snížit adhezní sílu tlapek k povrchu, pokud by měl adhezní mechanismus elektrický charakter. To se nestalo, takže se dospělo k závěru, že gekoni používali něco jiného.
Kanadský vědec Alexander Penlidis se domnívá, že tento experiment byl nesprávný. Faktem je, že kontakt mezi tlapkami gekona a povrchem je extrémně těsný, v důsledku čehož ionizované molekuly jednoduše nejsou schopny proniknout mezi ultramalé struktury tlapek a povrch a neutralizovat interakci.
Gekončí tlapky přilnou na nerovném povrchu. Toto vysvětlení také neplatí, protože gekoni mohou chodit po svislé ploše z leštěného skla. Navíc se mohou pohybovat i na stropě ze stejného materiálu.
Foto: wikipedie
S příchodem elektronového mikroskopu byla tlapa gekona studována velmi podrobně. Jak se ukázalo, je pokryta extrémně tenkými štětinami, jejichž délka je až stovky mikrometrů. Koncentrace štětin na jednotku plochy tlapky je velmi vysoká: více než 14 000 vlasů na 1 mm2. Každá štětina zase není monolitický útvar, ale je na konci rozdělena na 400-1000 ještě menších vláken. Tloušťka takových vláken je 0,2 mikronu. Na 1 cm 2 kontaktu s povrchem připadají asi 2 miliardy vláken, z nichž každé se směrem ke konci rozšiřuje.
A. Gecko noha b. “Podložka” gekoního prstu pod mikroskopem c. Jedna ze štětin gekonovy tlapky d. Totéž, při větším zvětšení d. Maximální zvětšení štětin (foto: somuchnews)
Američtí vědci zjistili, že adhezní síla tlapky toki gekona je 10 Newtonů na 1 cm2. Taková přilnavost je možná pouze na hladkých površích, kde jsou zapojena téměř všechna vlákna na tlapkách zvířete. Pokud se bavíme o površích, které se často vyskytují v biotopech gekonů – skály, stromy, zde se zapojuje pouze část vláken na tlapkách (kvůli velkému množství nerovností na těchto površích), ale to stačí k udržení zvíře na místě.
Jak se ukázalo, mikroskopické chloupky na nohou gekona přilnou k nosnému povrchu prostřednictvím van der Waalsových sil. Van der Waalsovy síly jsou síly mezimolekulární (a meziatomové) interakce s energií 10-20 kJ/mol. Základem van der Waalsových sil jsou Coulombovy interakční síly mezi elektrony a jádry jedné molekuly a jádry a elektrony druhé. V určité vzdálenosti mezi molekulami se síly přitažlivosti a odpuzování vzájemně vyrovnávají a vzniká stabilní systém. Je to právě tento systém, který tvoří tlapku gekona a povrch, se kterým přichází do kontaktu.
Složitá struktura tlapky poskytuje i další vlastnost – hydrofobnost. Tlapka odpuzuje vodu a nečistoty, takže se gekončík může dobře pohybovat na mokrém povrchu.
Gekončík nemá problém oddělit tlapku od povrchu, na kterém je přichycen. K tomu slouží speciální mechanismus. Faktem je, že štětina připevněná k jakémukoli materiálu se může snadno oddělit, pokud je úhel mezi vláknem a povrchem větší než 30°. Při pohybu, změně úhlu kontaktu tlapky a povrchu, se gekončík snadno přichytí a odpojí tlapky. Spotřeba energie pro tento proces je minimální.
Van der Waalsovy síly nebo něco jiného?
Před dvěma lety se kanadský vědec Alexander Penlidis rozhodl nezávisle studovat mechanismus přilnutí tlapek gekonů k povrchům. Jak se ukázalo, při kontaktu tlapky a povrchu dochází k výměně elektrických nábojů. V důsledku toho se na tlapce vytvoří kladný elektrostatický náboj a na povrchu záporný.
Penlidis experimentoval se dvěma typy polymerních povrchů – teflonem AF a polydimethylsiloxanem. Podle závěrů, které vědec vyvodil z výsledků studie, síla adheze korelovala s velikostí elektrostatického náboje tlapky a povrchu. A z toho vyplývá, že právě elektrický náboj hraje hlavní roli v přilnavosti tlapky k povrchům.
Výzkum je zajímavý, ale neodpovídá na důležitou otázku, jak gekončík přilne na velmi nerovném povrchu, kde je mnohem obtížnější zajistit přilnavost pomocí elektrického náboje než na rovném povrchu. Je možné, že gekonovy tlapky mají dvojí trakční mechanismus – jak van der Waalsovy síly, tak elektrický náboj.
Vliv vody
V drtivé většině případů vědci prováděli pokusy s gekony v suchém prostředí. Vědci z Akronské univerzity se rozhodli vyzkoušet, jak dobře se ještěrka dokáže pohybovat na mokrém povrchu. Jak se ukázalo, pokud na skleněnou desku nastříkáte vodu, zvíře se na takovém povrchu drží mnohem hůř než na stejném talíři bez kapek vody.
Gekončík se však na mokrém povrchu dokáže udržet. Ale pokud je talíř ponořen v mělké hloubce do vody a gekon je znovu umístěn na talíř, pak ještěrka nemůže za takových podmínek zůstat na povrchu. Pokud gekonovi ponoříte tlapky na hodinu a půl do vody a poté je položíte na sklo, sklouzne a nemůže se uchytit.
Podle Alyssy Stark z univerzity v Akronu je to proto, že voda zasahuje do van der Waalsových sil a tlapy gekona se nemohou ukotvit na povrchu.
Nejen tlapky
Mechanismus pro zajištění tlapek k povrchu zahrnuje celé tělo gekona, tvrdí vědci z University of Massachusetts v Amherstu. Tělo plaza podle Alfreda Crosbyho hraje roli pružiny, která tiskne tlapky k povrchu. A čím větší je tělesná hmotnost gekona, tím silnější je toto jaro. Díky tomuto mechanismu se velké druhy gekonů, a nejen jejich malí příbuzní, snadno přilepí na jakýkoli povrch.
Navzdory skutečnosti, že Alexander Penlidis dokázal prokázat vliv elektrického náboje na adhezivní schopnost gekoních tlapek, většina odborníků stále podporuje názor na mechanismus adheze založený na van der Waalsových silách. Nyní se vědci snaží vysvětlit další zajímavý problém – původ tohoto mechanismu v procesu evoluce.
“Gecko páska”
Od doby, kdy se objasnil mechanismus gekonových tlapek jako celku, se jej lidé snaží uměle reprodukovat. Agentura DARPA vytvořila zejména horolezecké vybavení, které umožňuje člověku o hmotnosti 122 kg (tělesná hmotnost + užitečné zatížení) vylézt po skleněné kolmé stěně do výšky 7,6 m. Inženýr ze Stanfordu vytvořil robota, který dokáže vylézt téměř svislé hladké povrchy. Ruce robota jsou také modelovány podle tlapy gekona. A specialisté z University of Pennsylvania vyvinuli nový typ vysoce přesné rukojeti, kterou lze použít ve výrobě pro práci s malými díly. Probíhá také vývoj superlepící pásky, která vydrží mnoho cyklů používání a jejíž povrch se při delším používání nešpiní. NASA vyvinula speciální držák, který lze použít jak na Zemi, tak v podmínkách nulové gravitace ve vesmíru. Umožňuje připevnit závaží k povrchům pomocí speciálního „suchého zipu“ vytvořeného na obrázku a podobě povrchu gekonovy tlapky.
