TED2004
Sheila Patek: The shrimp with a kick!
Шейла Патек измеряет скорость самых быстрых животных
Filmed:
Readability: 4
1,659,037 views
Биолог Шейла Патек рассказывает о своей работе — измерении скорости атак у раков-богомолов, одного из самых быстрых движений в животном мире, при помощи видеокамер, записывающих 20.000 кадров в секунду.
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.
00:25
If you'd like to learn how to play the lobster, we have some here.
0
0
3000
Если хотите научиться играть лобстера, у нас есть несколько.
00:28
And that's not a joke, we really do.
1
3000
2000
И это не шутка, они у нас правда с собой.
00:30
So come up afterwards and I'll show you how to play a lobster.
2
5000
3000
Так что походите после и я покажу как играть как лобстер.
00:33
So, actually, I started working on what's called the mantis shrimp
3
8000
4000
Несколько лет назад я начала работать с животным, которое называется рак-богомол,
00:37
a few years ago because they make sound.
4
12000
3000
потому что они издают звуки.
00:40
This is a recording I made of a mantis shrimp
5
15000
2000
Это запись звука, издаваемого раком-богомолом,
00:42
that's found off the coast of California.
6
17000
2000
они водятся у берегов Калифорнии.
00:55
And while that's an absolutely fascinating sound,
7
30000
3000
И хотя это очень интересный звук,
00:58
it actually turns out to be a very difficult project.
8
33000
3000
изучать его оказалось очень тяжело.
01:01
And while I was struggling to figure out how and why mantis shrimp,
9
36000
5000
И когда я пыталась понять, зачем и почему раки-богомолы,
01:06
or stomatopods, make sound, I started to think about their appendages.
10
41000
4000
или ротоногие, издают звук, я начала думать об их конечностях.
01:10
And mantis shrimp are called "mantis shrimp" after the praying mantises,
11
45000
3000
Рак-богомол называется раком-богомолом в честь богомолов,
01:13
which also have a fast feeding appendage. And I started to think,
12
48000
4000
ноги которых тоже быстрые и тоже для кормления. И я начала думать,
01:17
well, maybe it will be interesting, while listening to their sounds,
13
52000
3000
слушая эти звуки, что может быть было бы интересно
01:20
to figure out how these animals generate very fast feeding strikes.
14
55000
3000
понять, как эти животные нападают с такой скоротью.
01:23
And so today I'll talk about the extreme stomatopod strike,
15
58000
4000
Сегодня я расскажу об этих исключительных атаках ротоногих,
01:27
work that I've done in collaboration with Wyatt Korff and Roy Caldwell.
16
62000
3000
о работе, которую мы выполнили совместно с Уайеттом Корффом и Роем Кэдвеллом.
01:30
So, mantis shrimp come in two varieties:
17
65000
3000
Итак, раки-богомолы бывают двух видов:
01:33
there are spearers and smashers.
18
68000
2000
«компьеметатели» и «сокрушители».
01:35
And this is a spearing mantis shrimp, or stomatopod.
19
70000
3000
Это рак-«копьеметатель», или ротоногий рак
01:38
And he lives in the sand, and he catches things that go by overhead.
20
73000
5000
Он живет в песке, и ловит то, что проплывает у него над головой.
01:43
So, a quick strike like that. And if we slow it down a bit,
21
78000
5000
Вот таким быстрым ударом. И если мы замедлим его немного,
01:48
this is the mantis shrimp -- the same species --
22
83000
2000
это тоже рак-богомол — тот же вид —
01:50
recorded at 1,000 frames a second,
23
85000
2000
записано это на 1.000 кадров в секунду,
01:52
played back at 15 frames per second.
24
87000
2000
проигрывается на 15 кадрах в секунду.
01:54
And you can see it's just a really spectacular extension of the limbs,
25
89000
6000
И видно, что это удивительное распрямление его рук,
02:00
exploding upward to actually just catch
26
95000
3000
которые "взрываются" вверх, и ловят
02:03
a dead piece of shrimp that I had offered it.
27
98000
2000
кусочек креветки, который я ему предложила.
02:05
Now, the other type of mantis shrimp is the smasher stomatopod,
28
100000
5000
Другой тип раков-богомолов — ротоногие «сокрушители»,
02:10
and these guys open up snails for a living.
29
105000
3000
они вскрывают раковины улиток.
02:13
And so this guy gets the snail all set up and gives it a good whack.
30
108000
5000
Он ловит улитку, поправляет ее, устанавливает и как следует наподдает ей.
02:18
(Laughter)
31
113000
1000
(Смех)
02:19
So, I'll play it one more time.
32
114000
2000
Я проиграю еще раз.
02:21
He wiggles it in place, tugs it with his nose, and smash.
33
116000
4000
Он ее ставит на место, поправляет своим носом, и бьет.
02:25
And a few smashes later, the snail is broken open, and he's got a good dinner.
34
120000
7000
Еще несколько ударов, раковина разбивается и готов чудный ужин.
02:32
So, the smasher raptorial appendage can stab with a point at the end,
35
127000
4000
И охотничий орган ротоногого может колоть острием на конце,
02:36
or it can smash with the heel.
36
131000
2000
или он может сокрушать пяткой.
02:38
And today I'll talk about the smashing type of strike.
37
133000
3000
И сегодня я расскажу о сокрушающих ударах.
02:41
And so the first question that came to mind was,
38
136000
2000
И первый приходящий на ум вопрос,
02:43
well, how fast does this limb move?
39
138000
3000
с какой скоростью движется этот орган?
02:46
Because it's moving pretty darn fast on that video.
40
141000
3000
Потому что на этом видео он движется чертовски быстро.
02:49
And I immediately came upon a problem.
41
144000
3000
И я немедленно столкнулась с проблемой.
02:52
Every single high-speed video system in the biology department
42
147000
3000
Все системы скоростной съемки на факультете биологии
02:55
at Berkeley wasn't fast enough to catch this movement.
43
150000
4000
в Беркли снимали недостаточно быстро, чтобы запечатлеть это движение.
02:59
We simply couldn't capture it on video.
44
154000
2000
Мы просто не могли его снять на видео.
03:01
And so this had me stymied for quite a long period of time.
45
156000
3000
И я с этим долго не могла справиться.
03:04
And then a BBC crew came cruising through the biology department,
46
159000
3000
Потом на факультет биологии пришла съемочная группа BBC
03:07
looking for a story to do about new technologies in biology.
47
162000
5000
в поисках историй о новых технологиях в биологии.
03:12
And so we struck up a deal.
48
167000
2000
И мы заключили сделку.
03:14
I said, "Well, if you guys rent the high-speed video system
49
169000
2000
Я сказала, «Если вы достанете скоростную видеокамеру,
03:16
that could capture these movements,
50
171000
2000
которая сможет запечатлеть эти движения,
03:18
you guys can film us collecting the data."
51
173000
3000
вы можете снимать нас, пока мы собираем наши данные».
03:21
And believe it or not, they went for it. (Laughter)
52
176000
2000
И хотите верьте, хотите нет, они согласились.
03:23
So we got this incredible video system. It's very new technology --
53
178000
4000
И мы получили эту чудесную видеокамеру. Это совершенно новая технология —
03:27
it just came out about a year ago --
54
182000
2000
она появилась примерно год назад —
03:29
that allows you to film at extremely high speeds in low light.
55
184000
5000
и она позволяет снимать с очень высокой скоростью при низкой освещенности.
03:34
And low light is a critical issue with filming animals,
56
189000
2000
А низкая освещенность очень важна при съемках животных,
03:36
because if it's too high, you fry them. (Laughter)
57
191000
3000
потому что если она высокая, вы их просто изжарите.
03:39
So this is a mantis shrimp. There are the eyes up here,
58
194000
5000
Это рак богомол. Это сверху глаза,
03:44
and there's that raptorial appendage, and there's the heel.
59
199000
3000
а это охотничьи ноги, а это пятка.
03:47
And that thing's going to swing around and smash the snail.
60
202000
3000
И эта штука размахнется и ударит по улитке.
03:50
And the snail's wired to a stick,
61
205000
1000
Улитка прикручена проволокой к палочке,
03:51
so he's a little bit easier to set up the shot. And -- yeah.
62
206000
4000
чтобы было проще поймать ее в кадр. И — да.
03:55
(Laughter)
63
210000
2000
(Смех)
03:57
I hope there aren't any snail rights activists around here.
64
212000
3000
Надеюсь, в зале нет защитников прав улиток.
04:00
(Laughter)
65
215000
2000
(Смех)
04:02
So this was filmed at 5,000 frames per second,
66
217000
5000
Это видео было снято на скорости 5.000 кадров в секунду,
04:07
and I'm playing it back at 15. And so this is slowed down 333 times.
67
222000
5000
и я его проигрываю на скорости 15. Так что оно замедлено в 333 раза.
04:12
And as you'll notice, it's still pretty gosh darn fast
68
227000
3000
И как вы можете заметить, все происходит всё равно чертовски быстро,
04:15
slowed down 333 times. It's an incredibly powerful movement.
69
230000
4000
с замедлением в 333 раза. Это очень мощное движение.
04:19
The whole limb extends out. The body flexes backwards --
70
234000
3000
Весь орган расправляется. Тело отбрасывает назад —
04:22
just a spectacular movement.
71
237000
3000
удивительное движение.
04:25
And so what we did is, we took a look at these videos,
72
240000
2000
И вот что мы сделали, мы посмотрели на такие записи
04:27
and we measured how fast the limb was moving
73
242000
2000
и измерили скорость, с которой двигался орган,
04:29
to get back to that original question.
74
244000
2000
чтобы ответить на наш исходный вопрос.
04:31
And we were in for our first surprise.
75
246000
3000
И это было первый сюрприз.
04:34
So what we calculated was that the limbs were moving
76
249000
3000
Мы посчитали, что орган движется
04:37
at the peak speed ranging from 10 meters per second
77
252000
2000
с максимальной скоростью от 10 метров в секунду
04:39
all the way up to 23 meters per second.
78
254000
2000
до 23 метров в секунду.
04:41
And for those of you who prefer miles per hour,
79
256000
2000
Для тех, кто предпочитает километры в час,
04:43
that's over 45 miles per hour in water. And this is really darn fast.
80
258000
5000
это больше 72 километров в час в воде. И это и правда чертовски быстро.
04:48
In fact, it's so fast we were able to add a new point
81
263000
4000
То есть, так быстро, что мы добавили новую точку
04:52
on the extreme animal movement spectrum.
82
267000
3000
на шкалу сверхбыстрых движений животных.
04:55
And mantis shrimp are officially the fastest measured feeding strike
83
270000
3000
И охотничий бросок раков-богомолов официально самый быстрый
04:58
of any animal system. So our first surprise.
84
273000
4000
среди всех животных. И это наша первая находка.
05:02
(Applause)
85
277000
1000
(Аплодисменты)
05:03
So that was really cool and very unexpected.
86
278000
3000
И это было очень интересно и неожиданно.
05:06
So, you might be wondering, well, how do they do it?
87
281000
3000
И вы можете спросить, как они это делают?
05:09
And actually, this work was done in the 1960s
88
284000
3000
И на это на самом деле ответил в 1960-ых
05:12
by a famous biologist named Malcolm Burrows.
89
287000
2000
знаменитый биолог Малкольм Берроуз.
05:14
And what he showed in mantis shrimp is that they use
90
289000
3000
Он показал, что раки-богомолы используют так называемый
05:17
what's called a "catch mechanism," or "click mechanism."
91
292000
3000
механизм защелки, или ступора.
05:20
And what this basically consists of is a large muscle
92
295000
4000
И он по большому счету состоит из большого мускула,
05:24
that takes a good long time to contract,
93
299000
2000
который сокращается очень долго,
05:26
and a latch that prevents anything from moving.
94
301000
3000
и защелки, которая потом не дает ноге расправиться.
05:29
So the muscle contracts, and nothing happens.
95
304000
2000
Мышца сокращается, и ничего не происходит.
05:31
And once the muscle's contracted completely, everything's stored up --
96
306000
3000
И после того как мышца полностью сокращается, все сохраняется —
05:34
the latch flies upward, and you've got the movement.
97
309000
4000
защелка открывается, и происходит движение.
05:38
And that's basically what's called a "power amplification system."
98
313000
3000
И это так называется система усиления мощности.
05:41
It takes a long time for the muscle to contract,
99
316000
2000
Мышца сокращается очень долго,
05:43
and a very short time for the limb to fly out.
100
318000
2000
а орган потом распрямляется очень быстро.
05:45
And so I thought that this was sort of the end of the story.
101
320000
3000
И я думала, что это конец, и всё объяснено.
05:48
This was how mantis shrimps make these very fast strikes.
102
323000
4000
Вот так рак-богомол делает свои очень быстрые выпады.
05:52
But then I took a trip to the National Museum of Natural History.
103
327000
4000
Но потом я отправилась в музей естественной истории при Смитсоновском институте.
05:56
And if any of you ever have a chance,
104
331000
2000
И если у вас когда-нибудь будет возможность,
05:58
backstage of the National Museum of Natural History
105
333000
2000
в запасниках музея естественной истории
06:00
is one of the world's best collections of preserved mantis shrimp. And what --
106
335000
4000
хранится одна их лучших в мире коллекций раков-богомолов. И что —
06:04
(Laughter)
107
339000
1000
(Смех)
06:05
this is serious business for me.
108
340000
2000
для меня всё это очень серьезно.
06:07
(Laughter)
109
342000
1000
(Смех)
06:08
So, this -- what I saw, on every single mantis shrimp limb,
110
343000
5000
И я увидела, что у каждого рака-богомола на его охотничьем органе,
06:13
whether it's a spearer or a smasher,
111
348000
2000
и у сокрушителей, и у копьеметателей,
06:15
is a beautiful saddle-shaped structure
112
350000
2000
есть чудесная структура в форме седла,
06:17
right on the top surface of the limb. And you can see it right here.
113
352000
4000
прямо на верхней поверхности органа. Вот тут вот ее видно.
06:21
It just looks like a saddle you'd put on a horse.
114
356000
2000
Она выглядит в точности как седло для верховой езды.
06:23
It's a very beautiful structure.
115
358000
2000
Очень красивая структура.
06:25
And it's surrounded by membranous areas. And those membranous areas
116
360000
5000
И она окружена мембранами. И эти мембранные части.
06:30
suggested to me that maybe this is some kind of dynamically flexible structure.
117
365000
4000
подсказали мне, что может быть это какая-то динамически изгибающаяся структура.
06:34
And this really sort of had me scratching my head for a while.
118
369000
3000
И некоторое время мне пришлось почесать голову над этим.
06:37
And then we did a series of calculations, and what we were able to show
119
372000
4000
Затем мы выполнили ряд вычислений, и нам удалось показать,
06:41
is that these mantis shrimp have to have a spring.
120
376000
4000
что этим ракам-богомолам требуется пружина.
06:45
There needs to be some kind of spring-loaded mechanism
121
380000
3000
Нужен какой-то подпружиненный механизм,
06:48
in order to generate the amount of force that we observe,
122
383000
2000
чтобы сгенерировать количество силы, которое мы наблюдаем,
06:50
and the speed that we observe, and the output of the system.
123
385000
3000
и скорость, которую мы наблюдаем, и производимую всей системой работу.
06:53
So we thought, OK, this must be a spring --
124
388000
3000
И мы подумали, ОК, это наверное и есть пружина —
06:56
the saddle could very well be a spring.
125
391000
2000
седло вполне может быть пружиной.
06:58
And we went back to those high-speed videos again,
126
393000
2000
И мы вернулись к нашим скоростным видео,
07:00
and we could actually visualize the saddle compressing and extending.
127
395000
6000
и нам удалось пронаблюдать, как это седло сжимается и расправляется.
07:06
And I'll just do that one more time.
128
401000
3000
И я это сделаю еще раз.
07:09
And then if you take a look at the video --
129
404000
2000
И если вы посмотрите на видео —
07:11
it's a little bit hard to see -- it's outlined in yellow.
130
406000
2000
его немножко трудно видеть — оно обведено желтым.
07:13
The saddle is outlined in yellow. You can actually see it
131
408000
2000
Седло обведено желтым. Вы можете увидеть, как оно
07:15
extending over the course of the strike, and actually hyperextending.
132
410000
4000
расправляется во время удара, и перерасправляется.
07:19
So, we've had very solid evidence showing
133
414000
2000
В общем, у нас были отличные доказательства того,
07:21
that that saddle-shaped structure actually compresses and extends,
134
416000
4000
что седловидная структура сжимается и расправляется,
07:25
and does, in fact, function as a spring.
135
420000
2000
и работает, действительно, как пружина.
07:27
The saddle-shaped structure is also known as a "hyperbolic paraboloid surface,"
136
422000
5000
Эта седловидная структура называется также гиперболической параболоидой,
07:32
or an "anticlastic surface."
137
427000
2000
или антикластической поверхностью.
07:34
And this is very well known to engineers and architects,
138
429000
2000
Она известна инженерам и архитекторам,
07:36
because it's a very strong surface in compression.
139
431000
3000
потому что это очень прочная на сжатие поверхность.
07:39
It has curves in two directions,
140
434000
2000
Она изгибается в двух направлениях.
07:41
one curve upward and opposite transverse curve down the other,
141
436000
3000
одна кривая изогнута вверх и поперечно изогнутой вниз,
07:44
so any kind of perturbation spreads the forces
142
439000
3000
так что любое возмущение распределяет силы
07:47
over the surface of this type of shape.
143
442000
3000
по всей поверхности такой формы.
07:50
So it's very well known to engineers, not as well known to biologists.
144
445000
4000
И она хорошо известна инженерам, не так хорошо известна биологам.
07:54
It's also known to quite a few people who make jewelry,
145
449000
4000
Она также известна многим людям, занимающимся ювелирным делом,
07:58
because it requires very little material
146
453000
3000
потому что требуется очень мало материала,
08:01
to build this type of surface, and it's very strong.
147
456000
3000
чтобы создать такую поверхность, но она будет очень прочной.
08:04
So if you're going to build a thin gold structure,
148
459000
2000
И если вам надо создать тонкую конструкцию из золота,
08:06
it's very nice to have it in a shape that's strong.
149
461000
2000
ей можно придать форму, которая сделает ее очень прочной.
08:08
Now, it's also known to architects. One of the most famous architects
150
463000
5000
Она также известна архитекторам. Один из известнейших архитекторов,
08:13
is Eduardo Catalano, who popularized this structure.
151
468000
3000
Эдуардо Каталано, был популяризатором этой структуры.
08:16
And what's shown here is a saddle-shaped roof that he built
152
471000
3000
И здесь вы видите построенную им седлвидную крышу,
08:19
that's 87 and a half feet spanwise.
153
474000
4000
длина которой почти 27 метров.
08:23
It's two and a half inches thick, and supported at two points.
154
478000
3000
Она меньше 7 см толщиной, и опирается на две точки.
08:26
And one of the reasons why he designed roofs this way is because it's --
155
481000
5000
И одна из причин, по которой он делал такие крыши в том,
08:31
he found it fascinating that you could build such a strong structure
156
486000
4000
что он был восхищен тем, что можно можно построить такую крепкую конструкцию
08:35
that's made of so few materials and can be supported by so few points.
157
490000
4000
используя так мало материалов и поставив ее на так мало опор.
08:39
And all of these are the same principles that apply
158
494000
4000
И все те же самые принципы применимы
08:43
to the saddle-shaped spring in stomatopods.
159
498000
2000
к седловидным пружинам раков-богомолов.
08:45
In biological systems it's important not to have a whole lot
160
500000
3000
В биологических системах важно, чтобы не требовалось
08:48
of extra material requirements for building it.
161
503000
3000
очень много материалов на постройку структуры.
08:51
So, very interesting parallels between the biological
162
506000
3000
Так что, очень интересная параллель между биологией
08:54
and the engineering worlds. And interestingly, this turns out --
163
509000
4000
и инженерным делом. И как оказалось,
08:58
the stomatopod saddle turns out to be the first
164
513000
2000
седла ротоногих оказались первыми описанными
09:00
described biological hyperbolic paraboloid spring.
165
515000
3000
биологическими гиперболическими параболоидными пружинами.
09:03
That's a bit long, but it is sort of interesting.
166
518000
3000
Длинновато, но довольно интересно.
09:06
So the next and final question was, well, how much force
167
521000
3000
И следующий, последний наш вопрос был, сколько силы
09:09
does a mantis shrimp produce if they're able to break open snails?
168
524000
4000
производит рак-богомол, если они способны разбивать раковины улиток?
09:13
And so I wired up what's called a load cell.
169
528000
2000
И я прикрутила к палочке так называемый датчик нагрузки.
09:15
A load cell measures forces, and this is actually
170
530000
2000
Датчик нагрузки измеряет силу, это на самом деле
09:17
a piezoelectronic load cell that has a little crystal in it.
171
532000
3000
пьезоэлектрический датчик, с маленьким кристаллом внутри.
09:20
And when this crystal is squeezed, the electrical properties change
172
535000
4000
И когда кристалл сжимается, меняются его электрические свойства
09:24
and it -- which -- in proportion to the forces that go in.
173
539000
2000
пропорционально силе, которая к нему приложена.
09:26
So these animals are wonderfully aggressive,
174
541000
3000
И эти животные замечательно агрессивны,
09:29
and are really hungry all the time. And so all I had to do
175
544000
3000
и все время очень голодны. Так что мне только потребовалось
09:32
was actually put a little shrimp paste on the front of the load cell,
176
547000
3000
намазать немного раскрошенной креветки на поверхность датчика,
09:35
and they'd smash away at it.
177
550000
2000
и они по нему принимались стучать.
09:37
And so this is just a regular video of the animal
178
552000
4000
И это не замедленная съемка рака,
09:41
just smashing the heck out of this load cell.
179
556000
3000
пытающегося раздробить этот датчик.
09:44
And we were able to get some force measurements out.
180
559000
3000
И нам удалось измерить эту силу.
09:47
And again, we were in for a surprise.
181
562000
2000
И опять, мы были удивлены.
09:49
I purchased a 100-pound load cell, thinking,
182
564000
2000
Я купила датчик мощности на 50 килограмм, решив
09:51
no animal could produce more than 100 pounds at this size of an animal.
183
566000
4000
что никакое животное не может развить больше 50 килограмм при таком размере.
09:55
And what do you know? They immediately overloaded the load cell.
184
570000
2000
И что бы вы думали, они немедленно ее перегрузили.
09:57
So these are actually some old data
185
572000
2000
Так что это старые данные,
09:59
where I had to find the smallest animals in the lab,
186
574000
2000
для которых пришлось выбрать самых маленьких раков в лаборатории,
10:01
and we were able to measure forces of well over 100 pounds
187
576000
3000
и нам удалось измерять силы больше 50 кг
10:04
generated by an animal about this big.
188
579000
3000
производимые животными вот такого примерно размера.
10:07
And actually, just last week I got a 300-pound load cell
189
582000
2000
И на прошлой неделе я заставила работать датчики
10:09
up and running, and I've clocked these animals generating
190
584000
3000
на 130 кг, и нам удалось зарегистрировать, как эти раки
10:12
well over 200 pounds of force.
191
587000
2000
генерируют до 90 кг-силы.
10:14
And again, I think this will be a world record.
192
589000
3000
И опять, я думаю это мировой рекорд.
10:17
I have to do a little bit more background reading,
193
592000
2000
Мне придется еще немного почитать литературу,
10:19
but I think this will be the largest amount of force produced
194
594000
3000
но я думаю, что это будет наибольшее количество силы,
10:22
by an animal of a given -- per body mass. So, really incredible forces.
195
597000
5000
производимое животным в приведении на массу тела. В общем, огромная сила.
10:27
And again, that brings us back to the importance of that spring
196
602000
3000
И опять, мы возвращаемся к роли этой пружины
10:30
in storing up and releasing so much energy in this system.
197
605000
4000
в хранении и высвобождении такого количества энергии в этой системе.
10:34
But that was not the end of the story.
198
609000
2000
Но это еще не конец всей истории.
10:36
Now, things -- I'm making this sound very easy, this is actually a lot of work.
199
611000
3000
Теперь — все это звучит не очень сложно, но это очень много работы на самом деле.
10:39
And I got all these force measurements,
200
614000
2000
Я получила все измерения силы,
10:41
and then I went and looked at the force output of the system.
201
616000
4000
и потом я посмотрела на выход силы в системе.
10:45
And this is just very simple -- time is on the X-axis
202
620000
3000
И тут все очень просто — время по оси X,
10:48
and the force is on the Y-axis. And you can see two peaks.
203
623000
3000
сила по оси Y. И вы видите тут два пика.
10:51
And that was what really got me puzzled.
204
626000
4000
И эти два пика меня озадачили.
10:55
The first peak, obviously, is the limb hitting the load cell.
205
630000
3000
Первый пик, понятно, это удар органа по датчику нагрузки.
10:58
But there's a really large second peak half a millisecond later,
206
633000
6000
Но потом появляется второй пик, полмиллисекунды спустя,
11:04
and I didn't know what that was.
207
639000
2000
и я понять не могла что это такое.
11:06
So now, you'd expect a second peak for other reasons,
208
641000
3000
Можно ожидать появления второго пика по разным причинам,
11:09
but not half a millisecond later.
209
644000
2000
но не полмиллисекунды спустя.
11:11
Again, going back to those high-speed videos,
210
646000
2000
Опять, есть вернуться к этим скоростным видео,
11:13
there's a pretty good hint of what might be going on.
211
648000
4000
можно догадаться что может происходить.
11:17
Here's that same orientation that we saw earlier.
212
652000
2000
Вот тот же ракурс, который мы видели раньше.
11:19
There's that raptorial appendage -- there's the heel,
213
654000
3000
Это охотничий орган — вот пятка,
11:22
and it's going to swing around and hit the load cell.
214
657000
3000
и она размахнется и ударит по датчику.
11:25
And what I'd like you to do in this shot is keep your eye on this,
215
660000
3000
И теперь смотрите внимательно вот сюда,
11:28
on the surface of the load cell, as the limb comes flying through.
216
663000
5000
на поверхность датчика нагрузки, пока орган по нему ударяет.
11:33
And I hope what you are able to see is actually a flash of light.
217
668000
5000
И я надеюсь вы успели разглядеть вспышку света.
11:38
Audience: Wow.
218
673000
2000
Аудитория: Вау.
11:40
Sheila Patek: And so if we just take that one frame, what you can actually see there
219
675000
4000
Шейла Патек: И если мы возьмем вот этот кадр, мы сможем увидеть
11:44
at the end of that yellow arrow is a vapor bubble.
220
679000
3000
на конце этой желтой стрелки пузырек пара.
11:47
And what that is, is cavitation.
221
682000
2000
И это так называемая кавитация.
11:49
And cavitation is an extremely potent fluid dynamic phenomenon
222
684000
4000
Кавитация — чрезвычайно мощное явление жидкостной динамики
11:53
which occurs when you have areas of water
223
688000
3000
которое возникает, когда у вас есть области воды,
11:56
moving at extremely different speeds.
224
691000
2000
движущиеся с очень сильно отличающимися скоростями.
11:58
And when this happens, it can cause areas of very low pressure,
225
693000
4000
И когда это происходит, это приводит к появлению областей очень низкого давления,
12:02
which results in the water literally vaporizing.
226
697000
3000
в которых вода буквально испаряется.
12:05
And when that vapor bubble collapses, it emits sound, light and heat,
227
700000
4000
И когда такой пузырек пара схлопывается, он испускает звук, свет и тепло,
12:09
and it's a very destructive process.
228
704000
2000
и это чрезвычайно разрушительный процесс.
12:11
And so here it is in the stomatopod. And again, this is a situation
229
706000
5000
И вот мы наблюдаем его в ротоногих. И опять,
12:16
where engineers are very familiar with this phenomenon,
230
711000
3000
инженеры очень хорошо знакомы с этим явлением,
12:19
because it destroys boat propellers.
231
714000
2000
потому что он разрушает винты на судах.
12:21
People have been struggling for years to try and design
232
716000
3000
Люди годами пытались справиться с этим и разработать
12:24
a very fast rotating boat propeller that doesn't cavitate
233
719000
4000
винт, который бы вращался очень быстро, не вызывая кавитации,
12:28
and literally wear away the metal and put holes in it,
234
723000
2000
потому что она буквально разъедает металл и проделывает в нем дыры,
12:30
just like these pictures show.
235
725000
2000
как на этих картинках.
12:32
So this is a potent force in fluid systems, and just to sort of take it one step further,
236
727000
9000
Это очень мощная сила в жидких системах, и для наглядности
12:41
I'm going to show you the mantis shrimp approaching the snail.
237
736000
3000
я покажу вам как рак-богомол нападает на улитку.
12:44
This is taken at 20,000 frames per second, and I have to give
238
739000
4000
Это снято на скорости 20.000 кадров в секунду, и я хочу
12:48
full credit to the BBC cameraman, Tim Green, for setting this shot up,
239
743000
4000
поблагодарить за это оператора BBC, Тима Грина, снявшего эту сцену,
12:52
because I could never have done this in a million years --
240
747000
3000
потому что сама бы я этого за миллион лет не смогла бы сделать.
12:55
one of the benefits of working with professional cameramen.
241
750000
3000
Одно из преимуществ работы с профессиональным оператором.
12:58
You can see it coming in, and an incredible flash of light,
242
753000
4000
Вы видите как она приближается, и невероятная вспышка света,
13:02
and all this cavitation spreading over the surface of the snail.
243
757000
4000
и вся эта кавитация, распространяющаяся по поверхности раковины.
13:06
So really, just an amazing image,
244
761000
3000
В общем, протрясающая картина,
13:09
slowed down extremely, to extremely slow speeds.
245
764000
4000
чрезвычайно замедленная, до чрезвычайно низкой скорости.
13:13
And again, we can see it in slightly different form there,
246
768000
3000
И опять, немного отличающийся угол,
13:16
with the bubble forming and collapsing between those two surfaces.
247
771000
4000
и пузырь образуется и схлопывается между двумя поверхностями.
13:20
In fact, you might have even seen some cavitation going up the edge of the limb.
248
775000
5000
И вы можете, на самом деле, увидеть как кавитация распространяется вдоль ноги рака.
13:25
So to solve this quandary of the two force peaks:
249
780000
3000
И вот ответ на загадку двух пиков:
13:28
what I think was going on is: that first impact is actually
250
783000
2000
я думаю, что первый пик это
13:30
the limb hitting the load cell, and the second impact is actually
251
785000
3000
столкновение ноги с датчиком, а второй удар —
13:33
the collapse of the cavitation bubble.
252
788000
2000
это схлопывание кавитационного пузыря.
13:35
And these animals may very well be making use of
253
790000
3000
И эти животные вполне могут использовать не только
13:38
not only the force and the energy stored with that specialized spring,
254
793000
4000
силу и энергию, запасенную в этой специальной пружине,
13:42
but the extremes of the fluid dynamics. And they might actually be
255
797000
4000
но и законы жидкостной динамики. И они возможно
13:46
making use of fluid dynamics as a second force for breaking the snail.
256
801000
4000
используют жидкостную динамику как вторую силу, чтобы разбить улитку.
13:50
So, really fascinating double whammy, so to speak, from these animals.
257
805000
6000
Так что, удивительный «двойной удар», так сказать, от этих животных.
13:56
So, one question I often get after this talk --
258
811000
2000
Есть вопрос, который мне часто задают после этого рассказа —
13:58
so I figured I'd answer it now -- is, well, what happens to the animal?
259
813000
3000
я решила ответить на него сразу — что же случается с животным?
14:01
Because obviously, if it's breaking snails,
260
816000
3000
Потому что очевидно, что если оно разбивает раковину,
14:04
the poor limb must be disintegrating. And indeed it does.
261
819000
3000
бедный орган тоже должен разрушаться. И так и происходит.
14:07
That's the smashing part of the heel on both these images,
262
822000
3000
Это ударная часть пятки на обоих картинках,
14:10
and it gets worn away. In fact, I've seen them wear away
263
825000
2000
и она снашивается. На самом деле, я видела как они снашивают
14:12
their heel all the way to the flesh.
264
827000
2000
свои пятки до самого мяса.
14:14
But one of the convenient things about being an arthropod
265
829000
3000
Но быть членистоногим очень удобно, потому что
14:17
is that you have to molt. And every three months or so
266
832000
3000
тебе приходится регулярно линять. И примерно каждые три месяца
14:20
these animals molt, and they build a new limb and it's no problem.
267
835000
5000
эти животные линяют, и выращивают новый орган, и никаких проблем.
14:25
Very, very convenient solution to that particular problem.
268
840000
4000
Очень удобное решение данной конкретной проблемы.
14:29
So, I'd like to end on sort of a wacky note.
269
844000
5000
И я закончу на немного странной ноте.
14:34
(Laughter)
270
849000
3000
(Смех)
14:37
Maybe this is all wacky to folks like you, I don't know.
271
852000
4000
Может это для вас всё не очень серьезно звучит, не знаю.
14:41
(Laughter)
272
856000
1000
(Смех)
14:42
So, the saddles -- that saddle-shaped spring --
273
857000
3000
Эти седла — седловидные пружины —
14:45
has actually been well known to biologists for a long time,
274
860000
4000
были известны биологам уже довольно давно,
14:49
not as a spring but as a visual signal.
275
864000
4000
но не как пружины, а как визуальный сигнал.
14:53
And there's actually a spectacular colored dot
276
868000
2000
И у многих видов ротоногих есть ярко раскрашенное
14:55
in the center of the saddles of many species of stomatopods.
277
870000
6000
цветное пятно в самом центре седла.
15:01
And this is quite interesting, to find evolutionary origins
278
876000
3000
И очень интересно было бы обнаружить эволюционное происхождение
15:04
of visual signals on what's really, in all species, their spring.
279
879000
6000
визуального сигнала на органе, который во всех видах является пружиной.
15:10
And I think one explanation for this could be
280
885000
2000
И на мой взгляд, одно из возможных объяснений связано
15:12
going back to the molting phenomenon.
281
887000
2000
с явлением линьки.
15:14
So these animals go into a molting period where they're
282
889000
3000
Эти животные регулярно линяют, и во время линьки
15:17
unable to strike -- their bodies become very soft.
283
892000
3000
они не могут охотиться — их тела становятся очень мягкими.
15:20
And they're literally unable to strike or they will self-destruct.
284
895000
3000
И они буквально неспособны бить, или они просто сломаются.
15:23
This is for real. And what they do is, up until that time period
285
898000
7000
Это очень серьезно. И они вот что делают — перед тем
15:30
when they can't strike, they become really obnoxious and awful,
286
905000
3000
как они теряют возможность бить, они становятся совершенно невыносимы
15:33
and they strike everything in sight; it doesn't matter who or what.
287
908000
4000
и колотят по всему что видят, неважно что или кто это.
15:37
And the second they get into that time point when they can't strike any more,
288
912000
4000
И как только они теряют эту возможность и больше не могут ничего ударить,
15:41
they just signal. They wave their legs around.
289
916000
3000
они начинают угрожать. Размахивать своими ногами.
15:44
And it's one of the classic examples in animal behavior of bluffing.
290
919000
4000
И это один из классических примеров блефа у животных.
15:48
It's a well-established fact of these animals
291
923000
2000
Это достоверно известный факт,
15:50
that they actually bluff. They can't actually strike, but they pretend to.
292
925000
4000
что они действительно блефуют. Они не могут ударить, но делают вид, что могут.
15:54
And so I'm very curious about whether those colored dots
293
929000
2000
И мне очень интересно, могут ли эти цветные пятна
15:56
in the center of the saddles are conveying some kind of information
294
931000
4000
в центре седла передавать какую-то информацию
16:00
about their ability to strike, or their strike force,
295
935000
3000
об их способности бить, или силе, с которой они могут ударить,
16:03
and something about the time period in the molting cycle.
296
938000
3000
и что-нибудь о том, на какой стадии линьки они находятся.
16:06
So sort of an interesting strange fact to find a visual structure
297
941000
5000
В общем, интересно и удивительно найти визуальный сигнал
16:11
right in the middle of their spring.
298
946000
3000
в самом центре их пружины.
16:14
So to conclude, I mostly want to acknowledge my two collaborators,
299
949000
5000
В заключении, я хочу поблагодарить своих коллег,
16:19
Wyatt Korff and Roy Caldwell, who worked closely with me on this.
300
954000
3000
Уайетта Корффа и Роя Кэдвелла,
16:22
And also the Miller Institute for Basic Research in Science,
301
957000
3000
и Миллеровский институт фундаментальных научных исследований,
16:25
which gave me three years of funding to just do science all the time,
302
960000
4000
который выдал мне трехгодичный грант на то, чтобы заниматься только наукой,
16:29
and for that I'm very grateful. Thank you very much.
303
964000
3000
и за это я им очень благодарна. Спасибо за внимание.
16:32
(Applause)
304
967000
1000
(Аплодисменты)
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