TED2004
Sheila Patek: The shrimp with a kick!
Sheila Patek bestimmt die schnellsten Tiere
Filmed:
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Die Biologin Sheila Patek spricht über ihre Arbeit, die Vermessung der Nahrungsaufnahme des Fangschreckenkrebses, eine der schnellsten Bewegungen des Tierreichs, mithilfe von Filmaufnahmen bei 20.000 Einzelbildern pro Sekunde.
Sheila Patek - Biologist, biomechanics researcher
Biologist Sheila Patek is addicted to speed -- animal speed. She's measured the fastest animal movements in the world, made by snail-smashing mantis shrimp and the snapping mandibles of trap-jaw ants. Full bio
Biologist Sheila Patek is addicted to speed -- animal speed. She's measured the fastest animal movements in the world, made by snail-smashing mantis shrimp and the snapping mandibles of trap-jaw ants. Full bio
Double-click the English transcript below to play the video.
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If you'd like to learn how to play the lobster, we have some here.
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0
3000
Wenn Sie lernen möchten wie sie mit einem Hummer spielen können, wir haben welche hier.
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And that's not a joke, we really do.
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3000
2000
Das ist kein Spaß, wir haben tatsächlich welche hier.
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So come up afterwards and I'll show you how to play a lobster.
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5000
3000
Also kommen Sie anschließend herauf und ich werde Ihnen zeigen, wie Sie mit einem Hummer spielen können.
00:33
So, actually, I started working on what's called the mantis shrimp
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8000
4000
Nun, eigentlich fing ich vor einigen Jahren an, etwas namens Fangschreckenkrebs
00:37
a few years ago because they make sound.
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12000
3000
zu studieren, denn sie produzieren Klang.
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This is a recording I made of a mantis shrimp
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15000
2000
Dies ist eine Tonbandaufnahme die ich von einem Fangschreckenkrebs machte,
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that's found off the coast of California.
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17000
2000
der vor der Küste Kaliforniens vorkommt.
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And while that's an absolutely fascinating sound,
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30000
3000
Und während das ein absolut faszinierender Klang ist,
00:58
it actually turns out to be a very difficult project.
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33000
3000
entpuppt sich das als ein sehr schwieriges Unterfangen.
01:01
And while I was struggling to figure out how and why mantis shrimp,
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36000
5000
Während ich damit kämpfte herauszufinden wie und warum Fangschreckenkrebse,
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or stomatopods, make sound, I started to think about their appendages.
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41000
4000
oder Stomatopoden Geräusche machen, begann ich über ihre Gliedmaßen nachzudenken.
01:10
And mantis shrimp are called "mantis shrimp" after the praying mantises,
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45000
3000
Fangschreckenkrebse werden (im englischen) nach der Gottesanbeterin (engl.: Mantis) "Mantis Shrimp" benannt,
01:13
which also have a fast feeding appendage. And I started to think,
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48000
4000
die ebenfalls schnelle Gliedmaßen zur Nahrungsaufnahme besitzt. So begann ich zu überlegen,
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well, maybe it will be interesting, while listening to their sounds,
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52000
3000
na ja, vielleicht wird es interessant sein, während ich ihren Geräuschen zuhöre,
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to figure out how these animals generate very fast feeding strikes.
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55000
3000
herauszufinden, wie diese Tiere jene sehr schnelle Schläge zur Nahrungsaufnahme erzeugen.
01:23
And so today I'll talk about the extreme stomatopod strike,
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58000
4000
Daher werde ich heute über den extremen Schlagvorgang bei Stomatopoden sprechen,
01:27
work that I've done in collaboration with Wyatt Korff and Roy Caldwell.
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62000
3000
eine Arbeit die ich zusammen mit Wyatt Korff und Roy Caldwell erstellte.
01:30
So, mantis shrimp come in two varieties:
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65000
3000
Nun, Fangschreckenkrebse kommen in zwei Varianten vor:
01:33
there are spearers and smashers.
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68000
2000
es gibt Speerer und Schmetterer.
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And this is a spearing mantis shrimp, or stomatopod.
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70000
3000
Das hier ist ein Speerer-Fangschreckenkrebs, oder Stomatopod.
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And he lives in the sand, and he catches things that go by overhead.
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73000
5000
Er lebt im Sand und fängt Dinge, die über seinem Kopf vorbeiwandern.
01:43
So, a quick strike like that. And if we slow it down a bit,
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78000
5000
Ein schneller Schlag wie dieser hier. Wenn wir das etwas verlangsamen,
01:48
this is the mantis shrimp -- the same species --
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83000
2000
das ist der Fangschreckenkrebs - die gleiche Spezies -
01:50
recorded at 1,000 frames a second,
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85000
2000
aufgenommen bei 1000 Einzelbildern pro Sekunde,
01:52
played back at 15 frames per second.
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87000
2000
abgespielt bei 15 Einzelbildern pro Sekunde.
01:54
And you can see it's just a really spectacular extension of the limbs,
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89000
6000
Und wie Sie sehen können ist das einfach eine wirklich spektakuäre Streckung der Gliledmaßen,
02:00
exploding upward to actually just catch
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95000
3000
nach oben explodierend, eigentlich nur um
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a dead piece of shrimp that I had offered it.
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98000
2000
ein totes Stückchen Garnele zu fangen, das ich ihm anbot.
02:05
Now, the other type of mantis shrimp is the smasher stomatopod,
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100000
5000
Nun, die andere Art des Fangschreckenkrebses ist der Schmetterer-Stomatopod,
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and these guys open up snails for a living.
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105000
3000
und diese Jungs öffnen Schnecken hauptberuflich.
02:13
And so this guy gets the snail all set up and gives it a good whack.
30
108000
5000
Und so legt sich dieser Kerl die Schnecke zurecht und versetzt ihr einen ordentlichen Schlag.
02:18
(Laughter)
31
113000
1000
(Gelächter)
02:19
So, I'll play it one more time.
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114000
2000
Ich werde Ihnen das noch einmal vorspielen.
02:21
He wiggles it in place, tugs it with his nose, and smash.
33
116000
4000
Er schubst sie in die richtige Position, stupst sie mit seiner Nase an und schlägt zu.
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And a few smashes later, the snail is broken open, and he's got a good dinner.
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120000
7000
Ein paar Schläge später ist die Schnecke aufgebrochen und er hat ein leckeres Abendessen.
02:32
So, the smasher raptorial appendage can stab with a point at the end,
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127000
4000
Nun, die Fangarme des Schmetterers können mit einem Punkt am Ende zustechen,
02:36
or it can smash with the heel.
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131000
2000
oder sie können mit der Ferse zuschlagen.
02:38
And today I'll talk about the smashing type of strike.
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133000
3000
Und heute werde ich über den zuschlagenden Typ des Stoßes sprechen.
02:41
And so the first question that came to mind was,
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136000
2000
Nun war die erste Frage die mir in den Sinn kam,
02:43
well, how fast does this limb move?
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138000
3000
na ja, wie schnell bewegt sich sein Schenkel?
02:46
Because it's moving pretty darn fast on that video.
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141000
3000
Denn in dem Film bewegt er sich ziemlich verflixt schnell.
02:49
And I immediately came upon a problem.
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144000
3000
Und ich stieß sofort auf ein Problem.
02:52
Every single high-speed video system in the biology department
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147000
3000
Keine Hochgeschwindigkeitskamera des Fachbereichs Biologie
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at Berkeley wasn't fast enough to catch this movement.
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150000
4000
in Berkley war schnell genug, diese Bewegung einzufangen.
02:59
We simply couldn't capture it on video.
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154000
2000
Wir konnten es schlicht nicht auf Film festhalten.
03:01
And so this had me stymied for quite a long period of time.
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156000
3000
Deswegen hat mich das recht lang aufgehalten.
03:04
And then a BBC crew came cruising through the biology department,
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159000
3000
Nun, eines Tages kam eine BBC Reportergruppe durch die Biologische Fakultät spaziert
03:07
looking for a story to do about new technologies in biology.
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162000
5000
und schaute sich nach einer Geschichte über neue Technologien in der Biologie um.
03:12
And so we struck up a deal.
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167000
2000
Also haben wir eine Vereinbarung getroffen.
03:14
I said, "Well, if you guys rent the high-speed video system
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169000
2000
Ich sagte: "Nun, wenn ihr mir eine Hochgeschwindigkeitskamera leiht,
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that could capture these movements,
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171000
2000
die diese Bewegungen erfassen kann,
03:18
you guys can film us collecting the data."
51
173000
3000
dann dürft ihr uns beim Datensammeln filmen."
03:21
And believe it or not, they went for it. (Laughter)
52
176000
2000
Und ob Sie es glauben oder nicht, sie ließen sich darauf ein.
03:23
So we got this incredible video system. It's very new technology --
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178000
4000
So erhielten wir jene sagenhafte Hochgeschwindighkeitskamera. Dies ist eine sehr neue Technologie -
03:27
it just came out about a year ago --
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182000
2000
sie ist erst seit etwa einem Jahr auf dem Markt erhältlich -
03:29
that allows you to film at extremely high speeds in low light.
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184000
5000
und erlaubt es, extrem hohe Geschwindigkeiten bei geringer Helligkeit zu filmen.
03:34
And low light is a critical issue with filming animals,
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189000
2000
Geringe Helligkeit ist ein kritisches Thema bei Dreharbeiten mit Tieren,
03:36
because if it's too high, you fry them. (Laughter)
57
191000
3000
denn falls das Licht zu stark ist, brät man sie.
03:39
So this is a mantis shrimp. There are the eyes up here,
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194000
5000
Dies ist ein Fangschreckenkrebs. Hier oben sind die Augen,
03:44
and there's that raptorial appendage, and there's the heel.
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199000
3000
und hier ist der Fangarm, und hier ist die Ferse.
03:47
And that thing's going to swing around and smash the snail.
60
202000
3000
Und dieses Ding wird herumschwingen und die Schnecke zerschlagen.
03:50
And the snail's wired to a stick,
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205000
1000
Die Schnecke ist an einen Stock gebunden,
03:51
so he's a little bit easier to set up the shot. And -- yeah.
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206000
4000
damit es etwas einfacher ist, den Schlagvorgang einzurichten. Und -- ja.
03:55
(Laughter)
63
210000
2000
(Gelächter)
03:57
I hope there aren't any snail rights activists around here.
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212000
3000
Ich hoffe, es sind keine Schneckenaktivisten anwesend.
04:00
(Laughter)
65
215000
2000
(Gelächter)
04:02
So this was filmed at 5,000 frames per second,
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217000
5000
Dies wurde mit 5.000 Bildern pro Sekunde gefilmt,
04:07
and I'm playing it back at 15. And so this is slowed down 333 times.
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222000
5000
und ich spiele es gerade bei 15 ab. Es ist also 333 fach verlangsamt.
04:12
And as you'll notice, it's still pretty gosh darn fast
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227000
3000
Und wie Sie sehen werden, dass es ist immer noch ziemlich verflixt schnell ist.
04:15
slowed down 333 times. It's an incredibly powerful movement.
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230000
4000
333 fach verlangsamt. Es ist ein unglaublich kraftvoller Bewegungsablauf.
04:19
The whole limb extends out. The body flexes backwards --
70
234000
3000
Die gesamte Extremität kommt nach vorn, der Körper beugt sich nach hinten -
04:22
just a spectacular movement.
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237000
3000
einfach eine spektakuläre Bewegung.
04:25
And so what we did is, we took a look at these videos,
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240000
2000
Also, wir schauten uns diese Filme an
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and we measured how fast the limb was moving
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242000
2000
und ermittelten wie schnell sich das Bein bewegte,
04:29
to get back to that original question.
74
244000
2000
um zur ursprünglichen Fragestellung zurückzukehren.
04:31
And we were in for our first surprise.
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246000
3000
Wir erfuhren die erste Überraschung.
04:34
So what we calculated was that the limbs were moving
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249000
3000
Was wir also errechneten war, dass die Glieder sich
04:37
at the peak speed ranging from 10 meters per second
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252000
2000
mit einer Spitzengeschwindigkeit zwischen 10 Meter pro Sekunde
04:39
all the way up to 23 meters per second.
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254000
2000
bis hin zu 23 Meter pro Sekunde bewegen.
04:41
And for those of you who prefer miles per hour,
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256000
2000
Für diejenigen unter euch, die Meilen pro Stunde bevorzugen,
04:43
that's over 45 miles per hour in water. And this is really darn fast.
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258000
5000
das sind über 45 Meilen pro Stunde in Wasser. Und das ist wirklich verflixt schnell.
04:48
In fact, it's so fast we were able to add a new point
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263000
4000
Und zwar ist es derat schnell, dass wir einen neuen Eintrag
04:52
on the extreme animal movement spectrum.
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267000
3000
auf der Skala der extremen Bewegungen des Tierreichs hinzufügen konnten.
04:55
And mantis shrimp are officially the fastest measured feeding strike
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270000
3000
Nun haben Fangschreckenkrebse offiziell die schnellste gemessene Schlaggeschwindigkeit zur Nahrungsaufnahme
04:58
of any animal system. So our first surprise.
84
273000
4000
aller tierischen Systeme. Soviel zur ersten Überraschung.
05:02
(Applause)
85
277000
1000
(Applaus)
05:03
So that was really cool and very unexpected.
86
278000
3000
Also das war ziemlich cool und sehr unerwartet.
05:06
So, you might be wondering, well, how do they do it?
87
281000
3000
Also, Sie fragen sich vielleicht, na ja, wie machen die das?
05:09
And actually, this work was done in the 1960s
88
284000
3000
Und tatsächlich zeigt diese Arbeit aus den 1960ern,
05:12
by a famous biologist named Malcolm Burrows.
89
287000
2000
von einem berühmten Biologen namens Malcolm Burrows,
05:14
And what he showed in mantis shrimp is that they use
90
289000
3000
dass die Fangschreckenkrebse etwas verwenden,
05:17
what's called a "catch mechanism," or "click mechanism."
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292000
3000
was man einen Schnappmechanismus, oder Klickmechanismus nennt.
05:20
And what this basically consists of is a large muscle
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295000
4000
Und dieser besteht im Wesentlichen aus einem großen Muskel,
05:24
that takes a good long time to contract,
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299000
2000
der einge recht lange Zeit benötigt um zu kontrahieren
05:26
and a latch that prevents anything from moving.
94
301000
3000
und einer Verriegelung, die alles vom Bewegen hindert.
05:29
So the muscle contracts, and nothing happens.
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304000
2000
Der Muskel kontrahiert also und nichts passiert.
05:31
And once the muscle's contracted completely, everything's stored up --
96
306000
3000
Und sobald der Muskel vollständig kontrahiert ist, alles in sich speichernd --
05:34
the latch flies upward, and you've got the movement.
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309000
4000
fliegt die Verriegelung nach oben und die Bewegung ist da.
05:38
And that's basically what's called a "power amplification system."
98
313000
3000
Das ist im Grunde was man ein leistungsverstärkendes System nennt.
05:41
It takes a long time for the muscle to contract,
99
316000
2000
Der Muskel braucht eine lange Zeit für die Kontraktion
05:43
and a very short time for the limb to fly out.
100
318000
2000
und das Glied eine sehr kurze Zeit herauszufliegen.
05:45
And so I thought that this was sort of the end of the story.
101
320000
3000
Nun dachte ich, dass dies schon das Ende der Geschichte war.
05:48
This was how mantis shrimps make these very fast strikes.
102
323000
4000
Dies ist wie Fangschreckenkrebse jene sehr schnellen Schläge ausführen.
05:52
But then I took a trip to the National Museum of Natural History.
103
327000
4000
Aber dann unternahm ich einen Ausflug in das National Museum of Natural History.
05:56
And if any of you ever have a chance,
104
331000
2000
Und falls einer von Ihnen jemals die Gelegenheit hat,
05:58
backstage of the National Museum of Natural History
105
333000
2000
hinter den Kulissen des National Museum of Natural History,
06:00
is one of the world's best collections of preserved mantis shrimp. And what --
106
335000
4000
ist eine der weltbesten Sammlungen von konservierten Fangschreckenkrebsen. Und was --
06:04
(Laughter)
107
339000
1000
(Gelächter)
06:05
this is serious business for me.
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340000
2000
das ist eine ernste Angelegenheit für mich.
06:07
(Laughter)
109
342000
1000
(Gelächter)
06:08
So, this -- what I saw, on every single mantis shrimp limb,
110
343000
5000
Nun, das -- was ich auf jedem einezelnen Schenkel eines Fangschreckenkrebses fand,
06:13
whether it's a spearer or a smasher,
111
348000
2000
egal ob "Schmetterer" und "Speerer",
06:15
is a beautiful saddle-shaped structure
112
350000
2000
war eine schöne sattelförmige Struktur
06:17
right on the top surface of the limb. And you can see it right here.
113
352000
4000
genau auf der oberen Fläche des Schenkels. Und das können Sie hier sehen.
06:21
It just looks like a saddle you'd put on a horse.
114
356000
2000
Es sieht aus wie ein Sattel, den man einem Pferd aufzäumt.
06:23
It's a very beautiful structure.
115
358000
2000
Es ist eine sehr schöne Struktur.
06:25
And it's surrounded by membranous areas. And those membranous areas
116
360000
5000
Sie ist umgeben von membranartigen Gebieten. Diese membranartigen Gebiete
06:30
suggested to me that maybe this is some kind of dynamically flexible structure.
117
365000
4000
erschienen mir wie als wären sie möglicherweise eine Art dynamisch flexible Struktur.
06:34
And this really sort of had me scratching my head for a while.
118
369000
3000
Das hat mich für eine Weile wirklich irgendwie ratlos gemacht.
06:37
And then we did a series of calculations, and what we were able to show
119
372000
4000
Und dann machten wir eine Reihe von Berechnungen und was wir zeigen konnten
06:41
is that these mantis shrimp have to have a spring.
120
376000
4000
war, dass diese Fangschreckenkrebse eine Feder besitzen müssen.
06:45
There needs to be some kind of spring-loaded mechanism
121
380000
3000
Es musste irgend eine Art Sprungfedermechanismus geben,
06:48
in order to generate the amount of force that we observe,
122
383000
2000
um die beobachtete Menge an Kraft zu erzeugen
06:50
and the speed that we observe, and the output of the system.
123
385000
3000
und die Geschwindigkeit, die wir beobachten und die Ausgangsgrößen des Systems.
06:53
So we thought, OK, this must be a spring --
124
388000
3000
Wir dachten nun, OK, das muss eine Sprungfeder sein -
06:56
the saddle could very well be a spring.
125
391000
2000
Der Sattel könnte gut als Sprungfeder dienen.
06:58
And we went back to those high-speed videos again,
126
393000
2000
Nun schauten wir uns wieder diese Hochgeschindigkeitsfilme an,
07:00
and we could actually visualize the saddle compressing and extending.
127
395000
6000
und konnten tatsächlich eine Komprimierung und Expansion des Sattels visualisieren.
07:06
And I'll just do that one more time.
128
401000
3000
Und ich werde das gerade noch einmal machen.
07:09
And then if you take a look at the video --
129
404000
2000
Wenn Sie sich den Film anschauen --
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it's a little bit hard to see -- it's outlined in yellow.
130
406000
2000
es ist etwas schwer zu erkennen -- es ist in Gelb dargestellt.
07:13
The saddle is outlined in yellow. You can actually see it
131
408000
2000
Der Sattel ist in Gelb dargestellt. Sie können es tatsächlich sehen.
07:15
extending over the course of the strike, and actually hyperextending.
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410000
4000
er expandiert während des Stoßes und überexpandiert sogar.
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So, we've had very solid evidence showing
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414000
2000
Nun hatten wir sehr greifbare Beweise die zeigten,
07:21
that that saddle-shaped structure actually compresses and extends,
134
416000
4000
dass diese sattelförmige Struktur tatsächlich komprimiert und expandiert
07:25
and does, in fact, function as a spring.
135
420000
2000
und in der Tat als Sprungfeder agiert.
07:27
The saddle-shaped structure is also known as a "hyperbolic paraboloid surface,"
136
422000
5000
Die sattelförmige Struktur ist auch bekannt als ein hyperbolisches Paraboloid,
07:32
or an "anticlastic surface."
137
427000
2000
oder als antiklastische Oberfläche.
07:34
And this is very well known to engineers and architects,
138
429000
2000
Und diese ist Ingenieuren und Architekten sehr gut bekannt,
07:36
because it's a very strong surface in compression.
139
431000
3000
da diese Form sehr widerstandsfähig gegenüber Kompression ist.
07:39
It has curves in two directions,
140
434000
2000
Sie ist in zwei Richtungen gekrümmt,
07:41
one curve upward and opposite transverse curve down the other,
141
436000
3000
eine aufsteigende Kurve und querverlaufend gegenüber zu ihr eine abfallende,
07:44
so any kind of perturbation spreads the forces
142
439000
3000
so dass jeglicher Störeinfluss die Kräfte
07:47
over the surface of this type of shape.
143
442000
3000
über Oberflächen dieser Form verteilt.
07:50
So it's very well known to engineers, not as well known to biologists.
144
445000
4000
Sehr bekannt bei Ingenieuren also, nicht ganz so bekannt bei Biologen.
07:54
It's also known to quite a few people who make jewelry,
145
449000
4000
Dies ist auch einigen Leuten bekannt, die Schmuck herstellen,
07:58
because it requires very little material
146
453000
3000
weil es sehr wenig Materialaufwand erfordert,
08:01
to build this type of surface, and it's very strong.
147
456000
3000
diese Art von Oberfläche zu bauen und sie ist zudem sehr fest.
08:04
So if you're going to build a thin gold structure,
148
459000
2000
Wenn Sie also eine dünne Goldstruktur bauen möchten,
08:06
it's very nice to have it in a shape that's strong.
149
461000
2000
dann ist es sehr nett, diese in einer widerstandsfähigen Form zu haben.
08:08
Now, it's also known to architects. One of the most famous architects
150
463000
5000
Nun, auch Architekten ist dies bekannt. Einer der berühmtesten Architekten
08:13
is Eduardo Catalano, who popularized this structure.
151
468000
3000
ist Eduardo Catalano, der diese Struktur populär machte.
08:16
And what's shown here is a saddle-shaped roof that he built
152
471000
3000
Was hier gezeigt wird ist ein sattelförmiges Dach, das er gebaut hat.
08:19
that's 87 and a half feet spanwise.
153
474000
4000
das sind 87½ Fuß Spannweite.
08:23
It's two and a half inches thick, and supported at two points.
154
478000
3000
Es ist 2½ Inch dick und an zwei Punkten gestützt.
08:26
And one of the reasons why he designed roofs this way is because it's --
155
481000
5000
Und einer der Gründe warum er Dächer dieser Art entworfen hat ist, weil es --
08:31
he found it fascinating that you could build such a strong structure
156
486000
4000
er fand es faszinnierend, dass man eine derart feste Struktur bauen kann,
08:35
that's made of so few materials and can be supported by so few points.
157
490000
4000
aus so wenig Material und mit so wenigen Stützpunkten.
08:39
And all of these are the same principles that apply
158
494000
4000
Und all das sind die gleichen Prinzipien, die für
08:43
to the saddle-shaped spring in stomatopods.
159
498000
2000
die sattelförmige Feder bei Stomatopoden gelten.
08:45
In biological systems it's important not to have a whole lot
160
500000
3000
Bei biologischen Systemen ist es wichtig, nicht zu allzu viel
08:48
of extra material requirements for building it.
161
503000
3000
überflüssiges Material zu verbauen.
08:51
So, very interesting parallels between the biological
162
506000
3000
Sehr interessante Parallelen also zwischen der biologischen
08:54
and the engineering worlds. And interestingly, this turns out --
163
509000
4000
und der ingenieurtechnischen Welt.
08:58
the stomatopod saddle turns out to be the first
164
513000
2000
Der stomatopod'sche Sattel erweist sich als die erste
09:00
described biological hyperbolic paraboloid spring.
165
515000
3000
beschriebene biologische hyperbolische Parabolidfeder.
09:03
That's a bit long, but it is sort of interesting.
166
518000
3000
Das ist ein bisschen lang, aber es ist irgendwie interessant.
09:06
So the next and final question was, well, how much force
167
521000
3000
Die nächste und letzte Frage war also, na ja, wie viel Kraft
09:09
does a mantis shrimp produce if they're able to break open snails?
168
524000
4000
erzeugt ein Fanschreckenkrebs, wenn er in der Lage ist Schnecken aufzubrechen?
09:13
And so I wired up what's called a load cell.
169
528000
2000
Also verkabelte ich etwas, dass sich Wägezelle nennt.
09:15
A load cell measures forces, and this is actually
170
530000
2000
Eine Wägezelle misst Kräfte und das ist eigentlich
09:17
a piezoelectronic load cell that has a little crystal in it.
171
532000
3000
eine piezoelektrische Wägezelle mit einem Kristall im Inneren.
09:20
And when this crystal is squeezed, the electrical properties change
172
535000
4000
Wenn der Kristall gequetscht wird, ändert sich das elektrische Feld
09:24
and it -- which -- in proportion to the forces that go in.
173
539000
2000
und es - welches -- im Verhältnis zu der eingehenden Kraft.
09:26
So these animals are wonderfully aggressive,
174
541000
3000
Diese Tiere sind also wunderbar aggressiv
09:29
and are really hungry all the time. And so all I had to do
175
544000
3000
und ständig hungrig. Alles was ich daher tun musste,
09:32
was actually put a little shrimp paste on the front of the load cell,
176
547000
3000
war im Grunde etwas Garnelenpaste auf die Vorderseite der Wägezelle zu tun
09:35
and they'd smash away at it.
177
550000
2000
und sie schlagen das weg.
09:37
And so this is just a regular video of the animal
178
552000
4000
Das ist also ein gewöhnlicher Film von dem Tier,
09:41
just smashing the heck out of this load cell.
179
556000
3000
das wie wild auf die Wägezelle einschlägt.
09:44
And we were able to get some force measurements out.
180
559000
3000
Und wir konnten so einige Kraftmessungen vornehmen.
09:47
And again, we were in for a surprise.
181
562000
2000
Und wieder gab es eine Überraschung.
09:49
I purchased a 100-pound load cell, thinking,
182
564000
2000
Ich kaufte eine 100 Pfund Wägezelle im Glauben,
09:51
no animal could produce more than 100 pounds at this size of an animal.
183
566000
4000
dass kein Tier dieser Größe mehr als 100 Pfund erzeugen kann.
09:55
And what do you know? They immediately overloaded the load cell.
184
570000
2000
Und bevor wir uns versahen, überlasteten sie die Wägezelle augenblicklich.
09:57
So these are actually some old data
185
572000
2000
Das ist also eigentlich ein alter Datensatz,
09:59
where I had to find the smallest animals in the lab,
186
574000
2000
bei dem ich die kleinsten Tiere im Labor finden musste
10:01
and we were able to measure forces of well over 100 pounds
187
576000
3000
und wir konnten Kraftmessungen von weit über 100 Pfund tätigen,
10:04
generated by an animal about this big.
188
579000
3000
erzeugt von einem Tier etwa dieser Größe.
10:07
And actually, just last week I got a 300-pound load cell
189
582000
2000
Und nun habe ich letzte Woche erst eine 300 Pfund Wägezelle bekommen,
10:09
up and running, and I've clocked these animals generating
190
584000
3000
installiert, und diese Tiere dabei gemessen wie sie
10:12
well over 200 pounds of force.
191
587000
2000
weit über 200 Pfund Kraft erzeugen.
10:14
And again, I think this will be a world record.
192
589000
3000
Und wieder denke ich, dass dies ein Weltrekord sein wird.
10:17
I have to do a little bit more background reading,
193
592000
2000
Ich muss ein bisschen mehr Literatur recherchieren,
10:19
but I think this will be the largest amount of force produced
194
594000
3000
jedoch glaube ich, dass dies der größte Betrag erzeugter Kraft ist,
10:22
by an animal of a given -- per body mass. So, really incredible forces.
195
597000
5000
durch ein Tier einer bestimmten -- pro Körpermasse. Also, in der Tat unglaubliche Kräfte.
10:27
And again, that brings us back to the importance of that spring
196
602000
3000
Und wieder bringt uns das zurück zu der Bedeutung dieser Sprungfeder
10:30
in storing up and releasing so much energy in this system.
197
605000
4000
bei der Speicherung und Freisetzung von so viel Energie in diesem System.
10:34
But that was not the end of the story.
198
609000
2000
Aber das war nicht das Ende der Geschichte.
10:36
Now, things -- I'm making this sound very easy, this is actually a lot of work.
199
611000
3000
Nun, die Sache ist -- ich lasse das hier sehr einfach erscheinen, das ist jedoch eine Menge Arbeit.
10:39
And I got all these force measurements,
200
614000
2000
Ich hatte nun alle diese Kraftmessungen
10:41
and then I went and looked at the force output of the system.
201
616000
4000
und dann ging ich her und betrachtete die Kraftausgangsgröße des Systems.
10:45
And this is just very simple -- time is on the X-axis
202
620000
3000
Das ist nun sehr einfach -- die Zeit ist auf der x-Achse
10:48
and the force is on the Y-axis. And you can see two peaks.
203
623000
3000
und die Kraft ist auf der y-Achse. Und sie können zwei Spitzen erkennen.
10:51
And that was what really got me puzzled.
204
626000
4000
Und das ist, was mich wirklich verblüffte.
10:55
The first peak, obviously, is the limb hitting the load cell.
205
630000
3000
Die erste Spitze ist offensichtlich das Bein, das auf die Wägezelle trifft.
10:58
But there's a really large second peak half a millisecond later,
206
633000
6000
Aber es gibt eine wirklich große zweite Spitze eine halbe Millisekunde später
11:04
and I didn't know what that was.
207
639000
2000
und ich hatte keine Ahnung, woher die stammte.
11:06
So now, you'd expect a second peak for other reasons,
208
641000
3000
Nun, man könnte eine zweite Spitze aus unterschiedlichen Gründen erwarten,
11:09
but not half a millisecond later.
209
644000
2000
aber nicht eine halbe Millisekunde später.
11:11
Again, going back to those high-speed videos,
210
646000
2000
Um wieder auf die Hochgeschwindigkeitsvideos zurück zu kommen,
11:13
there's a pretty good hint of what might be going on.
211
648000
4000
hier gibt es einen ziemlich guten Hinweis über das, was vor sich gehen könnte.
11:17
Here's that same orientation that we saw earlier.
212
652000
2000
Das hier ist die gleiche Anordnung, die wir zuvor gesehen haben
11:19
There's that raptorial appendage -- there's the heel,
213
654000
3000
Das hier ist der Fangarm -- hier ist die Ferse,
11:22
and it's going to swing around and hit the load cell.
214
657000
3000
und das wird herumschwingen und auf die Wägezelle treffen.
11:25
And what I'd like you to do in this shot is keep your eye on this,
215
660000
3000
Und was ich Sie während dieses Filmes zu tun bitte, ist Ihre Augen auf das zu lenken,
11:28
on the surface of the load cell, as the limb comes flying through.
216
663000
5000
auf die Oberfläche der Wägezelle, während der Schenkel durchgeflogen kommt.
11:33
And I hope what you are able to see is actually a flash of light.
217
668000
5000
Und was ich erhoffe ist, dass Sie tatsächlich einen Lichtblitz erkennen können.
11:38
Audience: Wow.
218
673000
2000
Publikum: Wow.
11:40
Sheila Patek: And so if we just take that one frame, what you can actually see there
219
675000
4000
Sheila Patek: Wenn wir nun dieses eine Einzelbild nehmen, kann man am Ende
11:44
at the end of that yellow arrow is a vapor bubble.
220
679000
3000
des gelben Pfeiles eine Dampfblase sehen.
11:47
And what that is, is cavitation.
221
682000
2000
Und was dies zeigt, ist Kavitation.
11:49
And cavitation is an extremely potent fluid dynamic phenomenon
222
684000
4000
Nun, Kavitation ist ein äußerst wirksames fluidmechanisches Phänomen,
11:53
which occurs when you have areas of water
223
688000
3000
das auftritt, wenn Sie Bereiche haben von Wasser,
11:56
moving at extremely different speeds.
224
691000
2000
die sich mit extrem unterschiedlichen Geschwindigkeiten bewegen.
11:58
And when this happens, it can cause areas of very low pressure,
225
693000
4000
Und wenn dies eintritt, kann es zu Gebieten sehr geringen Drucks führen,
12:02
which results in the water literally vaporizing.
226
697000
3000
was in einer buchstäblichen Verdampfung von Wasser resultiert.
12:05
And when that vapor bubble collapses, it emits sound, light and heat,
227
700000
4000
Und wenn diese Dampfblase kollabiert, emitiert sie Schall, Licht und Wärme,
12:09
and it's a very destructive process.
228
704000
2000
und das ist ein sehr zerstörerischer Prozess.
12:11
And so here it is in the stomatopod. And again, this is a situation
229
706000
5000
Und so verhält sich das bei den Stomatopoden. Und es ist wieder so,
12:16
where engineers are very familiar with this phenomenon,
230
711000
3000
dass Ingenieure dieses Phänomen sehr gut kennen.
12:19
because it destroys boat propellers.
231
714000
2000
Denn es zerstört Schiffsschrauben.
12:21
People have been struggling for years to try and design
232
716000
3000
Einige Menschen kämpfen bereits viele Jahre damit und versuchen,
12:24
a very fast rotating boat propeller that doesn't cavitate
233
719000
4000
sehr schnell rotierende Schiffsschrauben so zu gestalten, dass diese nicht kavitieren
12:28
and literally wear away the metal and put holes in it,
234
723000
2000
und an diesen im wahrsten Sinne des Wortes das Metall nicht abgetragen und perforiert wird,
12:30
just like these pictures show.
235
725000
2000
so wie diese Bilder das zeigen.
12:32
So this is a potent force in fluid systems, and just to sort of take it one step further,
236
727000
9000
Das ist also eine starke Kraft in flüssigen Phasen und um das jetzt einen Schritt weiter zu führen,
12:41
I'm going to show you the mantis shrimp approaching the snail.
237
736000
3000
werde ich Ihnen den Fangschreckenkrebs bei der Annäherung an die Schnecke zeigen.
12:44
This is taken at 20,000 frames per second, and I have to give
238
739000
4000
Dies wurde bei etwa 20.000 Einzelbildern pro Sekunde gefilmt, und ich muss
12:48
full credit to the BBC cameraman, Tim Green, for setting this shot up,
239
743000
4000
dem BBC Kameramann, Tim Green, die ganze Anerkennung für diese Aufnahme zollen,
12:52
because I could never have done this in a million years --
240
747000
3000
denn ich hätte dies nicht in Millionen von Jahren hinbekommen.
12:55
one of the benefits of working with professional cameramen.
241
750000
3000
Einer der Vorzüge der Arbeit mit professionellen Kameraleuten.
12:58
You can see it coming in, and an incredible flash of light,
242
753000
4000
Sie sehen wie es eintrifft und einen erstaunlichen Lichtblitz,
13:02
and all this cavitation spreading over the surface of the snail.
243
757000
4000
und diese gesamte Kavitation verteilt sich über die Oberfläche der Schnecke.
13:06
So really, just an amazing image,
244
761000
3000
Wirklich, einfach ein erstaunliches Bild,
13:09
slowed down extremely, to extremely slow speeds.
245
764000
4000
extrem verlangsamt auf äußerst langsame Geschwindigkeiten.
13:13
And again, we can see it in slightly different form there,
246
768000
3000
Und wiederum können wir das hier in leicht veränderter Form sehen,
13:16
with the bubble forming and collapsing between those two surfaces.
247
771000
4000
zusammen mit den sich bildenden und kollabierenden Blasen zwischen den zwei Oberflächen.
13:20
In fact, you might have even seen some cavitation going up the edge of the limb.
248
775000
5000
Möglicherweise haben Sie vielleicht sogar etwas Kavitation an der Ecke des Schenkels heraufwandern sehen können.
13:25
So to solve this quandary of the two force peaks:
249
780000
3000
Um also das Dilemma der zwei Kraftspitzen zu klären:
13:28
what I think was going on is: that first impact is actually
250
783000
2000
ich vermute, was hier vor sich ging ist, dass der erste Einschlag tatsächlich
13:30
the limb hitting the load cell, and the second impact is actually
251
785000
3000
der Schenkelauprall auf die Wägezelle, und der zweite Einschlag in der Tat
13:33
the collapse of the cavitation bubble.
252
788000
2000
der Zusammenbruch der Kavitationsblasen ist.
13:35
And these animals may very well be making use of
253
790000
3000
Und diese Tiere können sehr wahrscheinlich Gebrauch machen,
13:38
not only the force and the energy stored with that specialized spring,
254
793000
4000
nicht nur von der Kraft und Energie, die in dieser speziellen Sprungfeder gespeichert ist,
13:42
but the extremes of the fluid dynamics. And they might actually be
255
797000
4000
sondern auch von den extremen Eigenschaften der Strömungsmechanik. Sie könnten tatsächlich
13:46
making use of fluid dynamics as a second force for breaking the snail.
256
801000
4000
die Strömungsmechanik als zweite Kraft gebrauchen, um die Schnecke aufzubrechen.
13:50
So, really fascinating double whammy, so to speak, from these animals.
257
805000
6000
Also, ein wirklich faszinierender Doppelschlag von diesen Tieren, sozusagen.
13:56
So, one question I often get after this talk --
258
811000
2000
Nun, eine Frage bekomme ich nach diesem Vortrag oft gestellt -
13:58
so I figured I'd answer it now -- is, well, what happens to the animal?
259
813000
3000
daher dachte ich mir, sie gleich jetzt zu beantworten: was geschieht mit dem Tier?
14:01
Because obviously, if it's breaking snails,
260
816000
3000
Denn wenn es offensichtlich Schnecken knackt,
14:04
the poor limb must be disintegrating. And indeed it does.
261
819000
3000
muss sich der arme Schenkel auch zerlegen. Und das tut er, in der Tat.
14:07
That's the smashing part of the heel on both these images,
262
822000
3000
Das ist der schlagende Teil der Ferse auf diesen beiden Bildern
14:10
and it gets worn away. In fact, I've seen them wear away
263
825000
2000
und er wird abgetragen. Ich habe sogar gesehen, wie sie
14:12
their heel all the way to the flesh.
264
827000
2000
die Ferse bis zum Fleisch abnutzen.
14:14
But one of the convenient things about being an arthropod
265
829000
3000
Aber eines der angenehmen Dinge, ein Gliederfüßer zu sein
14:17
is that you have to molt. And every three months or so
266
832000
3000
ist, dass man sich häuten muss. Und alle drei Monate etwa
14:20
these animals molt, and they build a new limb and it's no problem.
267
835000
5000
häuten sich diese Tiere, und sie bilden einen neuen Schenkel und es gibt kein Problem.
14:25
Very, very convenient solution to that particular problem.
268
840000
4000
Eine sehr, sehr bequeme Lösung für das spezielle Problem.
14:29
So, I'd like to end on sort of a wacky note.
269
844000
5000
Nun, ich möchte gerne mit einer etwas verwunderlichen Folgerung enden.
14:34
(Laughter)
270
849000
3000
(Gelächter)
14:37
Maybe this is all wacky to folks like you, I don't know.
271
852000
4000
Vielleicht ist das alles verwunderlich für Menschen wie Sie, ich weiß es nicht.
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(Laughter)
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(Gelächter)
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So, the saddles -- that saddle-shaped spring --
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3000
Also, der Sattel -- die sattelförmige Sprungfeder --
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has actually been well known to biologists for a long time,
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4000
ist den Biologen eigentlich seit geraumer Zeit bekannt,
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not as a spring but as a visual signal.
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nicht als Sprungfeder, sondern als ein optischer Reiz.
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And there's actually a spectacular colored dot
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Hier ist ein eigentlich spektakulär gefärbter Punkt
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in the center of the saddles of many species of stomatopods.
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6000
im Mittelpunkt des Sattels bei vielen Arten von Stomatopoden.
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And this is quite interesting, to find evolutionary origins
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Und es ist recht interessant, evolutionäre Ursprünge
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of visual signals on what's really, in all species, their spring.
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6000
von optischen Reizen in etwas zu finden, das, eigentlich bei allen Arten, die Sprungfeder darstellt.
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And I think one explanation for this could be
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2000
Und ich glaube eine Erklärung hierfür lässt sich finden,
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going back to the molting phenomenon.
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2000
wenn man nochmals die Häutung in Betracht zieht.
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So these animals go into a molting period where they're
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Diese Tiere beginnen die Häutungsphase, in der sie
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unable to strike -- their bodies become very soft.
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schlagunfähig sind - ihre Körper werden sehr weich.
15:20
And they're literally unable to strike or they will self-destruct.
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Und sie sind buchstäblich schlagunfähig oder sie zerstören sich selbst.
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This is for real. And what they do is, up until that time period
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Das ist harte Realität. Nun bis zu dieser Phase, in der sie
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when they can't strike, they become really obnoxious and awful,
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schlagunfähig sind, werden sie wahrhaft abscheulich und schlimm,
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and they strike everything in sight; it doesn't matter who or what.
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und treten alles in Sichtweite, ganz egal wen oder was.
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And the second they get into that time point when they can't strike any more,
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In der Sekunde, in der sie in die schlagunfähige Phase eintreten,
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they just signal. They wave their legs around.
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geben sie einfach nur Signale von sich. Sie winken mit den Beinen umher.
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And it's one of the classic examples in animal behavior of bluffing.
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Dies ist ein klassisches Beispiel von tierischem Täuschungsverhalten.
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It's a well-established fact of these animals
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Dies ist eine gut entwickelte Eigenschaft bei diesen Tieren,
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that they actually bluff. They can't actually strike, but they pretend to.
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dass sie tatsächlich täuschen. Sie können eigentlich nicht zuschlagen, aber sie tun als ob.
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And so I'm very curious about whether those colored dots
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Daher war ich sehr neugierig, ob diese farbigen Punkte
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in the center of the saddles are conveying some kind of information
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in der Mitte des Sattels irgend eine Art von Information beinhalten
16:00
about their ability to strike, or their strike force,
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bezüglich ihrer Fähigkeit zu Schlagen, oder ihrer Schlagkraft
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and something about the time period in the molting cycle.
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und etwas über die Zeitspanne des Häutungszykluses.
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So sort of an interesting strange fact to find a visual structure
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Also eine irgendwie interessante, seltsame Eigenschaft einer visuellen Struktur,
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right in the middle of their spring.
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direkt im Zentrum ihrer Sprungfeder.
16:14
So to conclude, I mostly want to acknowledge my two collaborators,
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Abschließend möchte ich besonders meinen zwei Mitarbeitern
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Wyatt Korff and Roy Caldwell, who worked closely with me on this.
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Wyatt Korff und Roy Caldwell danken, die eng mit mir an dem gearbeitet haben.
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And also the Miller Institute for Basic Research in Science,
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Und auch dem Miller Institute for Basic Research in Science,
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which gave me three years of funding to just do science all the time,
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das mich drei Jahre dabei unterstützt hat, die ganze Zeit ausschließlich Forschung zu betreiben
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and for that I'm very grateful. Thank you very much.
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und dafür bin ich sehr dankbar. Vielen Dank.
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(Applause)
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(Beifall)
ABOUT THE SPEAKER
Sheila Patek - Biologist, biomechanics researcherBiologist Sheila Patek is addicted to speed -- animal speed. She's measured the fastest animal movements in the world, made by snail-smashing mantis shrimp and the snapping mandibles of trap-jaw ants.
Why you should listen
Sheila Patek, a UC Berkeley biologist, made a name for herself by measuring the hyperfast movements of snail-smashing mantis shrimp heels and bug-snapping ant jaws, using high-speed video cameras recording at up to 20,000 frames per second. In 2004, she and her team showed that peacock mantis shrimp had the fastest feeding strike in the animal kingdom, and that they are the only known animal to store energy in a hyperbolic paraboloid, a super-strong Pringles-shaped structure more often found in modern architecture.
Then in 2006, she and her team announced that trap-jaw ants had stolen the title of fastest striker from the mantis shrimp, when their research measured the ants' snapping jaws at an awesome 78 to 145 miles per hour, accelerating at 100,000 times the force of gravity. Patek's previous research focused on the sounds made by spiny lobsters, discovering that they used a mechanism similar to a violin. In 2004, she was named one of Popular Science magazine's "Brilliant 10." The Patek Lab at University of Massachusetts Amherst, where Patek is the principal investigator, continues to explore evolutionary questions through the integration of physiology, biomechanics, evolutionary analysis and animal behavior.
Sheila Patek | Speaker | TED.com