Vědci objasnili, jak vlastně hmyz kráčí po vodě

Zvláště v létě nemohou pozorovateli zdánlivě nehybné hladiny rybníka uniknout třpytivé drobounké vlnky vytvářené pohybem končetin hmyzu, který po ní zcela hladce klouže.
Hmyz z čeledi bruslařkovitých (Gerridae) patří k vodním plošticím (Heteroptera). Potkáte jej na klidných úsecích všech typů vod, jak obvykle hromadně pobíhá po hladině a vyhledává utopené jedince jiného hmyzu, aby z nich vysál tělesné šťávy. Bruslařky bývají velké kolem deseti milimetrů. Střední a zadní pár končetin mají dlouhý a na chodidlech vybavený jemnými chloupky, jež se jen velmi obtížně smáčejí. Díky tomu se při pohybu na vodě neutopí. Přední pár mají krátký, přizpůsobený k uchopení kořisti.

V klidu je nadnáší voda
Pro živočichy obecně platí, že při pohybu využívají třetí Newtonův zákon, hovořící o akci a reakci. Jestliže se chtějí pohnout kupředu, musejí něco zatlačit dozadu. Suchozemští tvorové tlačí končetiny vůči pevnému povrchu, čímž vytvářejí reakční síly, působící v opačném směru.
U plavajících a létajících tvorů je to poněkud složitější - ti totiž tlačí ploutvemi nebo křídly vůči vodě nebo vzduchu. Ptáci, netopýři, hmyz a ryby při tom vytvářejí celý řetězec vírů, mnohokrát s velmi složitou strukturou.
A jak je tomu s droboučkými bruslařkami, jež obývají hraniční oblast mezi vzduchem a vodou? Jak se udrží na hladině?
V klidném postoji to lze pohotově vysvětlit silami hladinového pnutí, za nimiž se skrývá vzájemné přitahování vodních molekul. Když bruslařky ochlupenými končetinami, navíc pokrytými nepromokavým voskem, zatlačí vodu dolů, tyto síly pnutí zvednou jejich lehké tělíčko vzhůru.

Pro pohyb výpočty neseděly
Jak se však bruslařky na hladině pohybují? Zdálo se, že díky povrchovým vlnkám, jež přenášejí dozadu hybnost. Na rozdíl od velkých mořských vln, jejichž pohyb ovládá gravitace, takové drobné vlnky, zvané kapilární, závisejí na hladinovém pnutí. Aby hmyz vyprodukoval kapilární vlnu, musí jeho končetina zabrat rychlostí alespoň 25 centimetrů za sekundu, což je minimální rychlost, jakou se po hladině může šířit libovolná vlna.
Dospělým bruslařkám s dostatečně dlouhými končetinami by to nečinilo potíž. Mladí jedinci ovšem "chodidly" svých ještě krátkých končetin prostě nedokážou zabírat dost na to, aby vytvořili hladinové vlny. Tak jak to, že se pohybují? Tuhle otázku před více než deseti lety vyslovil entomolog Mark Denny, a po něm se začala označovat jako Dennyův paradox.

Tajemství odhalila videokamera
Záhadu nyní rozluštila trojice amerických matematiků a inženýrů David Hu, Brian Cahn a John Bush z Massachusettského technologického institutu v americké Cambridgi. O tom, co zjistili, napsali v časopise Nature.
Pohyb bruslařek zkoumali snímkováním vysokorychlostní videokamerou a monitorováním částeček vody. Překvapivě odhalili, že tito drobní tvorové během klouzání po hladině nepřenášejí hybnost dolů do tekutiny hladinovými kapilárními vlnami, nýbrž víry pod hladinou, jež vytvářejí končetinami. Na rozdíl od kruhových vírů vznikajících při pohybu ryb však mají tvar písmene U, jako podkova, jejíž konce zespodu přiléhají k hladině. Vlákna víru totiž nemohou ve vodě náhle končit, musejí se konečky spojit, jako v kroužcích tabákového dýmu, nebo přilnout k nějakému povrchu.
Badatelé změřili velikost a rychlost vírů za končetinami bruslařek. Prokázali, že výsledná dozadu orientovaná hybnost stačí na pohyb dopředu i bez příspěvku kapilárních vln. Dennyův paradox je tím vysvětlen. Končetiny bruslařek se podobají veslům člunu, který se taktéž pohybuje kupředu díky tomu, že vesla vysílají dozadu sérii vírů.

Klouzání po hladině ověřil robot
Hu s kolegy si to ověřili zkonstruováním mechanické bruslařky - zařízení schopného udržet se na hladině pomocí povrchového pnutí a pohybovat se bez jejího narušení. Badatelé modelem manipulovali pomocí jakéhosi kladkostroje. Robotek se úspěšně pohybuje na stejném principu jako jeho přírodní vzor, o polovinu délky těla na jeden záběr končetin, přestože zatím s mnohem menší elegancí. Nepotopí se ani při rychlosti záběrů končetin 18 centimetrů za sekundu, tedy podlimitní.
Mohli byste si říci: Nu, hračičkové vědci se zase jednou pobavili... Vyřešili však při tom jeden zdánlivý přírodní paradox a přispěli k poznání mechaniky pohybu po hladině.
[*]
Autor je spolupracovníkem redakce