Biologische Strategie
Chamäleons starten „ballistische“ Zungen
Chamäleons
Lonny Lippsett
Bild: Cathy Keifer / Shutterstock / Einige Rechte vorbehalten
Erfassen, absorbieren oder filtern Sie Organismen
Viele lebende Systeme müssen Organismen für Nahrung sichern. Aber so wie ein lebendes System seine Beute fangen muss, um zu überleben, muss seine Beute fliehen, um zu überleben. Dies führt zu Fang- und Vermeidungsstrategien, die Tricks, Geschwindigkeit, Gifte, konstruierte Fallen und mehr beinhalten. Zum Beispiel hat eine fleischfressende Pflanze namens Kannenpflanze Blätter, die zu einer Röhre geformt sind, die Wasser sammelt. Lange, glatte Haare in der Röhre zeigen nach unten. Wenn Insekten auf der Suche nach Nektar in die Röhre eindringen, verlieren sie den Halt und rutschen hinein, können nicht herausklettern und entkommen, von der Pflanze gefressen und verdaut zu werden.
Mechanische Energie umwandeln
Mechanische Energie setzt sich aus kinetischer Energie (Energie eines sich bewegenden Objekts) und potentieller Energie (gespeicherte Energie) zusammen. Organismen nutzen mechanische Energie auf vielfältige Weise, darunter das Fangen von Beute, den Transport von Samen und die Fortbewegung.
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Reptilien
Klasse Reptilia („kriechend“): Eidechsen, Krokodile, Schildkröten, Schlangen
Reptilien behalten einige der Schlüsselmerkmale bei, die es den Wirbeltieren erstmals ermöglichten, dauerhaft an Land zu leben. Sie haben trockene Haut, die mit Keratinschuppen bedeckt ist, die helfen, Wasserverlust zu verhindern. (Amphibien müssen immer noch in der Nähe von Wasser bleiben, um ihre Haut feucht zu halten.) Viele Reptilien vermehren sich, indem sie Eier legen, die wasserdicht sind und einen Dotter haben, damit sich die Eier an Land entwickeln können, während sie feucht und genährt bleiben. Reptilien sind auch Wechselwärme, was bedeutet, dass sie keine eigene Körperwärme produzieren. Das bedeutet, dass sie Energie viel langsamer verbrennen als „warmblütige“ Kreaturen gleicher Größe. Es bedeutet auch, dass sie sich warm halten müssen, um aktiv zu bleiben, weshalb Sie vielleicht sehen, dass sie scheinbar übermäßig viel Zeit damit verbringen, sich einfach in der Sonne zu sonnen.
Um Beute aus der Ferne zu fangen, haben Chamäleons ein aufeinander abgestimmtes System von Körperteilen, das ihre Zungen mit hoher Geschwindigkeit und Kraft herausschießt.
Einleitung
Die schnellen und wilden Zungenbewegungen der Chamäleons sind keine Neuheit. Sie sind ein Schlüssel zu ihrem Überleben. Wenn diese Reptilien Beute sehen, feuern sie ihre Zungen wie Raketen ab und schlagen mit atemberaubender Geschwindigkeit und Kraft zu. Sie rasen in einer Hundertstelsekunde von 0 auf 60 mph (96.5 km/h) und können fast augenblicklich ein Ziel erreichen, das doppelt so lang ist wie ihre Körperlänge.
Dieses Zeitlupenvideo zeigt, wie Chamäleons ihre Zunge weiter als ihre Körperlänge ausstrecken können. In Echtzeit feuern sie ihre Zungen mit ballistischer Geschwindigkeit ab.
Die Strategie
Diese fantastischen ballistischen Zungen sind das Ergebnis eines bemerkenswert koordinierten Systems von Körperteilen, das Energie aufbaut und schnell freisetzt. So funktioniert das.
Im Kern einer Chamäleonzunge befindet sich ein schlanker, röhrenförmiger Knochen, der von dünnen Schichten elastischen Gewebes umhüllt ist. Das alles umhüllt eine Muskelschicht.
Das elastische Gewebe besteht aus Kollagen, einem weit verbreiteten biologischen Material, das durch seine federnden Fasern eine bemerkenswerte Dehnbarkeit erhält. Die Hälfte der Fasern windet sich im Uhrzeigersinn und die andere Hälfte gegen den Uhrzeigersinn. Zusammen bilden sie ein diagonal schraffiertes Muster, das aussieht wie die dehnbaren Kunststoffnetzhüllen, die zum Schutz von Glasflaschen verwendet werden.
Wenn Chamäleons Beute sichten, machen sie sich bereit, zielen und „laden“ ihre Zunge, indem sie ihre Zungenmuskeln zusammenziehen. Die Muskeln drücken sich um die Kollagenfasern nach innen und pressen sie zu engen Windungen zusammen. Die Fasern sind jetzt vollgepackt mit gespeicherter Energie, wie ein Springteufel, bereit zum Platzen.
Die Muskeln und komprimierten Kollagenschichten gleiten entlang des gut geschmierten Knochens nach vorne. An ihrer Spitze verjüngt sich die Knochendicke stark und erweitert den Raum für die Kollagenfasern. Plötzlich unkomprimiert, springen die Fasern vorwärts, angetrieben durch ihren eigenen Schwung. Gespeicherte potenzielle Energie wird in kinetische Energie umgewandelt und verstärkt die Geschwindigkeit und Kraft der Zunge. Es schießt mit Beschleunigungen von 2,590 Quadratmetern pro Sekunde oder 264 G (schneller als ein Kampfjet) hinaus und schmettert seine klebrige Spitze innerhalb von zwei Hundertstelsekunden auf seine Beute.
Um Beute zu fangen, haben Chamäleons ein hoch koordiniertes System aus Knochen, Muskeln und Bindegewebe, das mit hoher Geschwindigkeit und Kraft weite Strecken aus ihrer Zunge schießt.
Das Zungensystem hat noch eine weitere vorteilhafte Eigenschaft. Chamäleons sind Kaltblüter, daher verlangsamen sich ihre Muskeln und ihr Stoffwechsel bei kalten Temperaturen. Da das System jedoch auf gespeicherte Energie in den Kollagenschichten und nicht auf Muskelkraft angewiesen ist, funktioniert es auch bei Temperaturen bis zu 59 °C noch gut. Nach einer kalten Nacht, gerade wenn sie Nahrung zum Auftanken brauchen, sind ihre Zungen noch schnell genug am Zug – insbesondere, um andere kaltblütige Kreaturen zu fangen, die sich noch langsam bewegen.
Die ballistischen Zungen von Chamäleons sind das Ergebnis eines aufeinander abgestimmten Systems von Körperteilen: Knochen (Entoglossusfortsatz = ep), Kollagenfasern (Intralingualscheide = is) und Beschleunigermuskel (am).
Das Potenzial
Das hochentwickelte und koordinierte Zungensystem von Chamäleons bietet faszinierende Blaupausen für Wissenschaftler, um Wege zu erforschen, um mechanische Systeme und Materialien mit Projektilbewegung zu entwickeln, die Energie effizienter speichern und freisetzen, höhere Geschwindigkeit und Leistung erzeugen und auch bei kalten Temperaturen gut funktionieren. Solche Innovationen könnten in den Bereichen Ballistik, Raketentechnik, Robotermanipulatorausrüstung und prothetische medizinische Geräte eingesetzt werden.
Zuletzt aktualisiert am 30. November 2020
Referenzen
„Die ballistische Projektion der Chamäleonzunge ist ein extremes Beispiel für schnelle Energiefreisetzung im Tierreich. Es beruht auf einer komplizierten physiologischen Struktur und einem ausgeklügelten Gleichgewicht zwischen Gewebeelastizität, Anisotropie der Kollagenfasern, aktiver Muskelkontraktion, Stressabbau und Geometrie. Ein allgemeines biophysikalisches Modell für die Dynamik der Chamäleonzunge basierend auf großer Verformungselastizität wird vorgeschlagen. Das Modell umfasst drei verschiedene gekoppelte Subsysteme: die Energetik der intralingualen Hüllen, die Mechanik des aktivierenden Beschleunigermuskels und die Dynamik der Zungenstreckung. Zusammen verdeutlichen diese drei Systeme die wichtigsten physikalischen Prinzipien des Beutefangs bei Chamäleoniden.“
Zeitschriften
Die elastischen Geheimnisse der Chamäleonzunge
Proceedings der Royal Society A | 1. April 2016 | Derek E. Moulton, Thomas Lessinnes, Stephen O’Keeffe, Luis Dorfmann und Alain Goriely
Referenz
„Um Beute zu fangen, projizieren Chamäleons ihre Zunge ballistisch bis zu 1.5 Körperlängen weit mit Beschleunigungen von bis zu 500 ms–2. Im Kern der Zunge eines Chamäleons befindet sich ein zylindrisches Zungenskelett, das vom Beschleunigermuskel umgeben ist. Die Schlüsselstruktur im Projektionsmechanismus ist wahrscheinlich eine zylindrische Bindegewebsschicht, die den Entoglossusfortsatz umgibt. … Diese Gewebeschicht besteht aus mindestens 10 Hüllen, die den Processus entoglossus umhüllen. Der äußere Teil ist anterior mit dem Beschleunigermuskel und der innere Teil mit den Retraktorstrukturen verbunden. Die Hüllen enthalten spiralförmige Anordnungen von Kollagenfasern. Vor der Projektion werden die Hüllen in Längsrichtung durch die kombinierte radiale Kontraktion und hydrostatische Verlängerung des Beschleunigermuskels mit einer geschätzten mittleren Leistung von 144 W kg–1 Zoll belastetC. melleri. Der Zungenvorsprung wird ausgelöst, wenn der Beschleunigermuskel und die belasteten Teile der Scheiden beginnen, über die Spitze des Entoglossusfortsatzes zu gleiten. Die Federn entspannen sich radial, während sie die abgerundete Spitze des Processus entoglossus abstoßen, wodurch die in den helikalen Fasern gespeicherte elastische Energie für eine gleichzeitige Vorwärtsbeschleunigung des Zungenpolsters, des Beschleunigermuskels und der Retraktorstrukturen verfügbar wird. Die Energiefreisetzung setzt sich fort, während die vielschichtige Feder über die Spitze des glatten und geschmierten Entoglossus-Prozesses gleitet … So haben wir einen einzigartigen Katapultmechanismus identifiziert, der sich stark von Standardkonstruktionen unterscheidet.“
Zeitschriften
Beweis für einen elastischen Projektionsmechanismus in der Zunge des Chamäleons
Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences | 7. April 2004 | Jurriaan H. de Groot und Johan L. van Leeuwen
Referenz
„[Kleine] Chamäleons sind in der Lage, ihre Zungen proportional über größere Entfernungen zu projizieren, wobei die Projektionslängen 2.5 Körperlängen erreichen. Darüber hinaus wird gezeigt, dass kleine Chamäleonarten in der Lage sind, Spitzenbeschleunigungen während der Zungenprojektion von bis zu 2,590 ms-2 oder 264 zu erzeugen gund massespezifische Leistungsabgabewerte während der Zungenprojektion von bis zu 14,040 W kg-1, Werte, die die höchsten unter Amnioten gemeldeten Werte sind. Diese Skalierungsbeziehungen unterstreichen nicht nur die zuvor unterschätzte Leistungsfähigkeit der Familie, sondern auch den potenziellen Nutzen der Berücksichtigung der Körpergröße beim Testen auf Bewegungen, die kryptische Kraftverstärkungsmechanismen beherbergen, und wie unterschiedliche Stoffwechselanforderungen die morphologische Evolution vorantreiben können.“
Zeitschriften
Ab wie ein Schuss: Skalierung der ballistischen Zungenprojektion zeigt extreme Leistungsfähigkeit bei kleinen Chamäleons
Wissenschaftliche Berichte | 4. Januar 2016 | Christopher V. Anderson
Referenz
„Die Umgebungstemperatur beeinflusst die körperliche Aktivität und Ökologie wechselwarmer Tiere durch ihre Auswirkungen auf die Muskelkontraktionsphysiologie. Die Sprint-, Schwimm- und Sprungleistung von Wechselwärme nimmt bei einem Temperaturabfall von 33 °C um mindestens 10 % ab, begleitet von einem ähnlichen Rückgang der Muskelkraft. Wir schlagen vor, dass ballistische Bewegungen, die durch den Rückstoß elastischer Gewebe angetrieben werden, weniger thermisch abhängig sind als Bewegungen, die auf direkter Muskelkraft beruhen. Wir fanden heraus, dass eine elastisch angetriebene Bewegung, der ballistische Zungenvorsprung bei Chamäleons, eine hohe Leistung über einen Bereich von 20 °C beibehält. Die Spitzengeschwindigkeit und -kraft nehmen bei einem Abfall von 10 °C um nur 19 %–10 % ab, verglichen mit > 42 % bei einer nicht elastischen, muskelbetriebenen Zungenretraktion. Diese Ergebnisse zeigen, dass der elastische Rückstoßmechanismus die Einschränkungen umgeht, die niedrige Temperaturen den Muskelfrequenzeigenschaften auferlegen, und dadurch die thermische Abhängigkeit des Zungenvorsprungs verringert.“
Zeitschriften
Der ballistische Zungenvorsprung bei Chamäleons behält eine hohe Leistung bei niedriger Temperatur bei
Proceedings of the National Academy of Sciences | 3. September 2010 | CV Anderson, SM Deban
Referenz