Vật lý trong thế giới động thực vật: Ấu trùng nhảy cao, tôm bọ ngựa đấm vỡ bể kính và cây phỉ Tàu nhổ hạt như đạn bắn
Thế giới động thực vật ẩn chứa thật nhiều điều thú vị.
Nếu tạo hóa không cho bạn một đôi chân? Chẳng thành vấn đề, những con ấu trùng Asphondylia vẫn có thể nhảy cao gấp 36 lần chiều dài cơ thể của chúng, santo gần năm vòng trên không trung trước khi tiếp đất.
Cú nhảy của loài ấu trùng này có thể khiến bất cứ một vận động viên thể dục dụng cụ nào cũng phải xấu hổ. Trong khi đó, kỷ lục nhảy cao của con người chỉ là 2.45 mét, chưa bằng hai lần chiều cao cơ thể.
Vận tốc khi nhảy của ấu trùng Asphondylia có thể đạt tới 0,9 m/s, với gia tốc cực đại 18.000 m/s2. Nó bỏ xa các loài động vật không chân nhảy khác như ấu trùng bọ bổ củi chỉ có gia tốc khoảng 400 m/s2.
Sức mạnh của Asphondylia có thể tương đương thậm chí lớn hơn cả cơ bắp của động vật có xương sống. Nhưng rõ ràng, loài động vật này không hề có chân, thậm chí cơ thể chúng quá nhỏ bé để cơ bắp có thể phát triển tương đương với sức mạnh ấy.
Vậy thì bí ẩn trong cú nhảy của chúng nằm ở đâu?
Michael Wise là một nhà sinh thái học người Mỹ đang làm việc tại Đại học Roanoke ở tiểu bang Massachusetts. Trong khi nghiên cứu ấu trùng của loài muỗi đục quả Asphondylia, ông nhận thấy chúng có thể nhảy ra bên ngoài đĩa thí nghiệm, thậm chí bắn ra ngoài sàn phòng ở một khoảng cách xa không tưởng.
Để có thể biết tại sao những con ấu trùng không chân làm được điều đó, Wise đã liên hệ với nhà sinh học tiến hóa Sheila Patek tại Đại học Duke. "Thấy hai yếu tố nhỏ và nhanh là anh ấy nghĩ ngay đến cô bạn thân Sheila của mình", Patek nói.
Đó là bởi phòng thí nghiệm của cô có những máy quay video tốc độ cao, chuyên dành cho mục đích nghiên cứu các chuyển động tinh tế của động vật. Thông thường, những chuyển động này là thứ mắt thường của con người không thể nắm bắt kịp.
"Nhưng theo tiêu chuẩn của chúng tôi, chẳng có gì là quá nhỏ và quá nhanh", Patek nói. Mọi chuyển động đều có thể được ghi lại và giải thích dưới ống kính 20.000 khung hình/giây trong phòng thí nghiệm của cô ấy.
Mặc dù vậy cả Patek và Wise cũng phải mất tới ba năm mới có thể bắt được khoảnh khắc này:
Cú nhảy của ấu trùng Asphondylia
Đây là lúc sự thật được tiết lộ. Để có thể thực hiện cú nhảy, con ấu trùng đã uốn cong thân mình. Phía gần đầu của nó nhô ra một chiếc "chân ảo". Sau đó, chiếc chân ảo này khóa chặt lấy phần đuôi của nó như một cái chốt.
Con ấu trùng bơm chất lỏng vào vùng cơ thể phía sau để tạo ra áp suất thủy tĩnh, từ từ tích tụ một thế năng như chiếc lò xo bị ép lại. Cuối cùng, chiếc chốt ở chân ảo bung ra, phần sau cơ thể con ấu trùng đẩy vào nền đất. Phản lực khiến nó bắn lên không trung ở một độ cao gấp 36 lần cơ thể.
Chỉ sở hữu một cơ bắp tí hon, nhưng con ấu trùng đã thực hiện được một cú nhảy tuyệt vời, Wise, Patek và các đồng nghiệp báo cáo trên Tạp chí Sinh học Thực nghiệm. Nó đã nhào lộn trên không trung với sức mạnh tương đương, thậm chí lớn hơn, sức mạnh của cơ bắp ở động vật có xương sống.
Để làm được điều đó, những con động vật nhỏ phải sử dụng nguyên lý lò xo khi cơ thể chúng không có không gian cho cơ bắp phát triển. "Chúng sự thực hoạt động tốt hơn khi đưa năng lượng vào một chiếc lò xo", Patek nói.
Các sinh vật nhỏ có thể nạp năng lượng vào lò xo dần dần, cho đến khi nó tích lũy một thế năng cực mạnh. Sau đó, chiếc lò xo bất ngờ giải phóng sức mạnh và biến thế năng thành động năng cực lớn.
Cú đấm của tôm bọ ngựa
Đây không phải là lần đầu tiên nhóm nghiên cứu của cô quan sát thấy cơ chế chốt và lò xo trong thế giới động vật. Trước đây, Patek đã quay lại được nhiều thước phim cho thấy những con vật bé nhỏ có thể làm được nhiều điều kỳ diệu khi sử dụng cơ chế này.
Chẳng hạn như những con tôm bọ ngựa có thể dùng nguyên lý lò xo để tung ra những cú đấm bể vỏ những con trai hoặc cua biển. Cú đấm của chúng mạnh đến nỗi có thể làm nứt bể cá cảnh.
Một con kiến có thể dùng cơ chế tương tự để nhảy lên không trung, tương tự như những con ấu trùng Asphondylia, mặc dù còn kém xa. Cơ chế lò xo xuất hiện ở khắp mọi nơi trong thế giới động vật nhỏ, Patek nói.
Cú nhảy của kiến
Thậm chí các loài thực vật cũng sử dụng cơ chế này để thổi các bào tử hoặc hạt của chúng vào môi trường.
Cây phỉ Trung Quốc khi trái chín cũng bắn hạt của chúng ra với tốc độ lên tới 12m/s. Trong trường hợp bạn chưa hình dung được con số này, nó tương đương với lực của một viên đạn được bắn ra từ những khẩu súng của thế kỷ 19.
Lời khuyên là đừng đứng dưới gốc một cây phỉ:
Một cây phỉ bắn hạt của nó với tốc độ tương đương đạn súng trường thế kỷ 19
Trở lại với những con ấu trùng Asphondylia, để có thể giữ được một thế năng lớn khi nén lò xo, chiếc chân ảo của nó cũng phải rất khỏe mạnh. Bí ẩn nằm ở các cấu trúc giống như lông mà Patek và đồng nghiệp quan sát thấy trên kính hiển vi.
Khi dính chân ảo vào phần đuôi để chống lại lực căng của cơ thể, những chiếc lông này hoạt động giống như cơ chế của velcro. Patek nhìn thấy ở đây một ứng dụng, các cấu trúc lông của ấu trùng Asphondylia có thể truyền cảm hứng giúp chúng ta tạo ra một cơ chế kết dính mới, cô nói.
Cấu trúc lông này có thể được ứng dụng để tạo ra vật liệu dính mới
Thế giới động thực vật ẩn chứa thật nhiều điều thú vị mà con người có thể học tập. Trong cú nhảy của mình, những con ấu trùng Asphondylia đã sử dụng một năng lượng gấp 28,75 so với khi chúng di chuyển cùng một quãng đường bằng cách bò.
Đó là một sự chênh lệch cực kỳ lớn, như việc bạn chạy bộ thể dục với chạy một giải marathon.
Các nhà khoa học không chắc tại sao những con ấu trùng Asphondylia lại phải tiêu tốn năng lượng để nhảy lên như vậy, bởi hầu hết cuộc đời của chúng đều sống trong kén trên cây, cho đến khi trưởng thành và mọc cánh.
Nhưng họ đoán rằng đây có thể là một kỹ năng được truyền lại từ thời tổ tiên của chúng. Các nghiên cứu vẫn đang được tiếp tục để khám phá thêm nhiều điều kì diệu về Asphondylia nói riêng và những cơ chế lò xo trong thế giới động vật nói chung.
Nhưng dù kết quả có thể nào đi chăng nữa, những giám khảo của chúng tôi cũng quyết định chấm cho cú nhảy của những con ấu trùng Asphondylia 10/10 điểm.
