TED2004
Sheila Patek: The shrimp with a kick!
شيلا باتيك: ركلة الجمبري
Filmed:
Readability: 4
1,659,037 views
عالمة الأحياء شيلا باتيك تتحدث عن أبحاثها في قياس ضربة الغذاء لقريدس فرس النبي, وهي واحدة من أسرع الحركات في عالم الحيوان بإستخدام كاميرا فيديو تسجل بمعدل 20.000 لقطة في الثانية.
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
إذا أردت أن تتعلم كيف تلعب لعبة الكركند ,فلدينا بعض منهم هنا.
00:28
And that's not a joke, we really do.
1
3000
2000
و هي ليست مزحة , بالفعل لدينا.
00:30
So come up afterwards and I'll show you how to play a lobster.
2
5000
3000
فتعالوا بعد العرض و سأريكم كيف تلعبون الكركند.
00:33
So, actually, I started working on what's called the mantis shrimp
3
8000
4000
حسنا, في الواقع بدأت أعمل مع ما يدعى بقريدس فرس النبي
00:37
a few years ago because they make sound.
4
12000
3000
منذ بضعة سنوات لأنهم يصدرون أصوات.
00:40
This is a recording I made of a mantis shrimp
5
15000
2000
هذا تسجيل صنعته لقريدس فرس النبي
00:42
that's found off the coast of California.
6
17000
2000
الموجود على ساحل كاليفورنيا.
00:55
And while that's an absolutely fascinating sound,
7
30000
3000
و بالرغم من أن هذا الصوت رائع جدا,
00:58
it actually turns out to be a very difficult project.
8
33000
3000
إلا أنه إتضح أن هذا المشروع صعب للغاية.
01:01
And while I was struggling to figure out how and why mantis shrimp,
9
36000
5000
و بينما أنا اصارع لأعرف كيف و لماذا يصدر قريدس
01:06
or stomatopods, make sound, I started to think about their appendages.
10
41000
4000
فرس النبي أو الستومابود صوتا, بدأت أفكر في أطرافه.
01:10
And mantis shrimp are called "mantis shrimp" after the praying mantises,
11
45000
3000
و يدعى قريدس فرس النبي بهذا الأسم نسبة إلى سرعوف فرس النبي المصلي,
01:13
which also have a fast feeding appendage. And I started to think,
12
48000
4000
و الذي لديه أطراف سريعة للتغذية. و بدأت أفكر ,
01:17
well, maybe it will be interesting, while listening to their sounds,
13
52000
3000
حسنا ربما يكون من المثير,بينما أستمع إلى أصواتهم,
01:20
to figure out how these animals generate very fast feeding strikes.
14
55000
3000
أن أكتشف كيف تقوم تلك الحيوانات بتلك الضربات السريعة جدا.
01:23
And so today I'll talk about the extreme stomatopod strike,
15
58000
4000
إذن فاليوم سأحدثكم عن ضربة الستومابود الخارقة,
01:27
work that I've done in collaboration with Wyatt Korff and Roy Caldwell.
16
62000
3000
وهو ما أعمل عليه بالتعاون مع وايات كورف و روي كالدويل.
01:30
So, mantis shrimp come in two varieties:
17
65000
3000
إذن, قريدس فرس النبي له نوعان:
01:33
there are spearers and smashers.
18
68000
2000
هناك الطواعن و الكواسر.
01:35
And this is a spearing mantis shrimp, or stomatopod.
19
70000
3000
و هذا هو القريدس الطاعن أو الستومابود الطاعن.
01:38
And he lives in the sand, and he catches things that go by overhead.
20
73000
5000
و هو يعيش في الرمال و يمسك الأشياء التي تعبر فوقه.
01:43
So, a quick strike like that. And if we slow it down a bit,
21
78000
5000
بهذه الضربة السريعة هكذا. و لو أبطأناها قليلا,
01:48
this is the mantis shrimp -- the same species --
22
83000
2000
هذل قريدس فرس النبي --نفس الفصيلة--
01:50
recorded at 1,000 frames a second,
23
85000
2000
مسجَّل بمعدا 1000 لقطة في الثانية,
01:52
played back at 15 frames per second.
24
87000
2000
و يتم تشغيله ب15 لقطة في الثانية.
01:54
And you can see it's just a really spectacular extension of the limbs,
25
89000
6000
وكما ترون الإمتداد الرائع للأطراف
02:00
exploding upward to actually just catch
26
95000
3000
التي تنتفض لأعلى لتمسك فقط
02:03
a dead piece of shrimp that I had offered it.
27
98000
2000
قطعة من القريدس الميت التي وضعتها له.
02:05
Now, the other type of mantis shrimp is the smasher stomatopod,
28
100000
5000
الآن النوع الآخر من قريدس فرس النبي وهو الستومابود الكاسر,
02:10
and these guys open up snails for a living.
29
105000
3000
و هؤلاء يفتحون الحلزون ليتغذوا.
02:13
And so this guy gets the snail all set up and gives it a good whack.
30
108000
5000
إذن فهذا الأخ هنا يجهز الحلزون ثم يعطيه ضربة محترمة.
02:18
(Laughter)
31
113000
1000
(ضحك)
02:19
So, I'll play it one more time.
32
114000
2000
سأشغله مرة أخرى.
02:21
He wiggles it in place, tugs it with his nose, and smash.
33
116000
4000
يحركه في مكانه, يشِّده بأنفه ثم يضرب.
02:25
And a few smashes later, the snail is broken open, and he's got a good dinner.
34
120000
7000
و بعد بضعة ضربات ينفتح الحلزون و يأخذ عشائه اللذيذ.
02:32
So, the smasher raptorial appendage can stab with a point at the end,
35
127000
4000
إذن فهذه الأطراف الكاسرة الجارحة يمكن أن تطعن بالجزء المدبب في نهايتها,
02:36
or it can smash with the heel.
36
131000
2000
أو أن تحطم بالكعب.
02:38
And today I'll talk about the smashing type of strike.
37
133000
3000
و اليوم سأتحدث عن النوع الكاسر من الضربات.
02:41
And so the first question that came to mind was,
38
136000
2000
إذن فالسؤال الأول الذي يتبادر إلى الأذهان,
02:43
well, how fast does this limb move?
39
138000
3000
حسنا هو ما مدى سرعة حركة هذا الطرف؟
02:46
Because it's moving pretty darn fast on that video.
40
141000
3000
لأنه يتحرك بسرعة رهيبة في هذا الفيديو.
02:49
And I immediately came upon a problem.
41
144000
3000
و على الفور واجهتني مشكلة.
02:52
Every single high-speed video system in the biology department
42
147000
3000
كل واحد من أنظمة التصوير العالية السرعة في قسم الأحياء
02:55
at Berkeley wasn't fast enough to catch this movement.
43
150000
4000
في بيركلي لم يكن بالسرعة الكافية ليلتقط هذه الحركة.
02:59
We simply couldn't capture it on video.
44
154000
2000
ببساطة لم نستطع إلتقاطها بالفيديو.
03:01
And so this had me stymied for quite a long period of time.
45
156000
3000
و لقد وضعني هذا في وضع حرج لمدة طويلة
03:04
And then a BBC crew came cruising through the biology department,
46
159000
3000
ثم جاء فريق قناة BBC إلى قسم الأحياء,
03:07
looking for a story to do about new technologies in biology.
47
162000
5000
باحثين عن سبق جديد عن تكنولوجيا حديثة في علم الأحياء.
03:12
And so we struck up a deal.
48
167000
2000
فعقدنا إتفاقية
03:14
I said, "Well, if you guys rent the high-speed video system
49
169000
2000
قلت." حسنا إذا قمتم أنتم بتأجير نظام التصوير العالي السرعة
03:16
that could capture these movements,
50
171000
2000
الذي يستطيع إلتقاط هذه الحركة,
03:18
you guys can film us collecting the data."
51
173000
3000
يمكنكم تصويرنا و نحن نجمع البيانات."
03:21
And believe it or not, they went for it. (Laughter)
52
176000
2000
و صدق أولا تصدق, إقتنعوا بها.
03:23
So we got this incredible video system. It's very new technology --
53
178000
4000
و بالتالي حصلنا على نظام التصوير الرائع هذا. وهو تكنولوجيا حديثة للغاية--
03:27
it just came out about a year ago --
54
182000
2000
ظهرت فقط منذ عام واحد تقريبا--
03:29
that allows you to film at extremely high speeds in low light.
55
184000
5000
يسمح بتصوير سرعات عالية جدا في إضائة منخفضة.
03:34
And low light is a critical issue with filming animals,
56
189000
2000
و الإضاءة المنخفضه هي أساسية لتصوير الحيوانات,
03:36
because if it's too high, you fry them. (Laughter)
57
191000
3000
لأنها لو كانت عالية , فستحرقهم.
03:39
So this is a mantis shrimp. There are the eyes up here,
58
194000
5000
إذا فهذا هو قريدس فرس النبي. ها هي أعينه هنا
03:44
and there's that raptorial appendage, and there's the heel.
59
199000
3000
و ها هي الأطراف الكاسرة, و ها هو الكعب.
03:47
And that thing's going to swing around and smash the snail.
60
202000
3000
و هذا الشئ سيتأرجح و يكسر الحلزون.
03:50
And the snail's wired to a stick,
61
205000
1000
و هذا الحلزون مربوط بعصا,
03:51
so he's a little bit easier to set up the shot. And -- yeah.
62
206000
4000
ليسهل عملية تصوير اللقطة.و --نعم
03:55
(Laughter)
63
210000
2000
(ضحك)
03:57
I hope there aren't any snail rights activists around here.
64
212000
3000
أتمنى ألا يكون هناك مدافعين عن حقوق الحلزون هنا.
04:00
(Laughter)
65
215000
2000
(ضحك)
04:02
So this was filmed at 5,000 frames per second,
66
217000
5000
صُوِر هذا في نطاق 5.000 لقطة في الثانية,
04:07
and I'm playing it back at 15. And so this is slowed down 333 times.
67
222000
5000
و انا أعيد تشغيلها بمعدل 15. إذن فهي أبطا 333 مرة.
04:12
And as you'll notice, it's still pretty gosh darn fast
68
227000
3000
و ستلاحظون, إنها مازالت سريعة بشكل كبير
04:15
slowed down 333 times. It's an incredibly powerful movement.
69
230000
4000
حتى وهي مبطئة 333 مرة. إنها حركة قوية للغاية.
04:19
The whole limb extends out. The body flexes backwards --
70
234000
3000
كل الطرف يمتد إلى الخارج. كل الجسم ينثني إلى الوراء--
04:22
just a spectacular movement.
71
237000
3000
حركة مبهرة حقا.
04:25
And so what we did is, we took a look at these videos,
72
240000
2000
إذن فما فعلناه هو أننا ألقينا نظرة على هذه الفيديوهات,
04:27
and we measured how fast the limb was moving
73
242000
2000
و قمنا بقياس سرعة تحرك الطرف
04:29
to get back to that original question.
74
244000
2000
لنعود بذلك إلى السؤال الأساسي.
04:31
And we were in for our first surprise.
75
246000
3000
و قد كانت مفاجئتنا الأولى.
04:34
So what we calculated was that the limbs were moving
76
249000
3000
فما وجدناه كان أن الأطراف كانت تتحرك
04:37
at the peak speed ranging from 10 meters per second
77
252000
2000
بأقصى سرعة تتراوح مابين 10 متر في الثانية
04:39
all the way up to 23 meters per second.
78
254000
2000
حتى تصل إلى 23 متر في الثانية.
04:41
And for those of you who prefer miles per hour,
79
256000
2000
و إلى من يفضلون مقياس الأميال إلى الساعة,
04:43
that's over 45 miles per hour in water. And this is really darn fast.
80
258000
5000
هذا ما يتعدى ال 45 ميل في الساعة في الماء. وهذا سريع جدا.
04:48
In fact, it's so fast we were able to add a new point
81
263000
4000
في الواقع إنه سريع لدرجة اننا وضعنا حد جديد
04:52
on the extreme animal movement spectrum.
82
267000
3000
في مقياس الحركات الخارقة للحيوانات.
04:55
And mantis shrimp are officially the fastest measured feeding strike
83
270000
3000
و قريدس فرس النبي لديه رسميا أسرع ضربة تغذية مسجلة
04:58
of any animal system. So our first surprise.
84
273000
4000
في أي نظام حيواني. أول مفاجئاتنا.
05:02
(Applause)
85
277000
1000
(تصفيق)
05:03
So that was really cool and very unexpected.
86
278000
3000
إذا فهذا كان رائعا حقا و غير متوقع بالمرة.
05:06
So, you might be wondering, well, how do they do it?
87
281000
3000
و ربما تتسائلون ,حسنا, كيف يفعلون ذلك؟
05:09
And actually, this work was done in the 1960s
88
284000
3000
و في الواقع هذا العمل قام به في الستينات
05:12
by a famous biologist named Malcolm Burrows.
89
287000
2000
عالم أحياء مشهور يدعى مالكولم بوروز.
05:14
And what he showed in mantis shrimp is that they use
90
289000
3000
و ما وضحه في قريدس فرس النبي هو أنهم يستخدمون
05:17
what's called a "catch mechanism," or "click mechanism."
91
292000
3000
ما يدعى بميكانيكية القفل, أو ميكانيكية مزلاج الأمان.
05:20
And what this basically consists of is a large muscle
92
295000
4000
وهي في الأساس عبارة عن عضلة كبيرة
05:24
that takes a good long time to contract,
93
299000
2000
والتي تأخذ وقت طويل لتنقبض,
05:26
and a latch that prevents anything from moving.
94
301000
3000
و مزلاج يمنع أي جزء من الحركة .
05:29
So the muscle contracts, and nothing happens.
95
304000
2000
فتقبض العضلة دون أن يحدث أي شئ.
05:31
And once the muscle's contracted completely, everything's stored up --
96
306000
3000
و بمجرد إكتمال إنقباض العضلة تماما, وكل شئ متحفز--
05:34
the latch flies upward, and you've got the movement.
97
309000
4000
يطير المزلاج منفتحا و تحدث الحركة.
05:38
And that's basically what's called a "power amplification system."
98
313000
3000
و هذا هو ما يطلق عليه أساسا نظام مضاعفة القوى.
05:41
It takes a long time for the muscle to contract,
99
316000
2000
تأخذ العضلة وقتا طويلة لتنقبض,
05:43
and a very short time for the limb to fly out.
100
318000
2000
و وقت قصير جدا لأنبساط الطرف.
05:45
And so I thought that this was sort of the end of the story.
101
320000
3000
ففكرت أن هذه إذن هي نهاية القصة.
05:48
This was how mantis shrimps make these very fast strikes.
102
323000
4000
هذا هو كيف يقوم قريدس فرس النبي بهذه الضربات السريعة جدا.
05:52
But then I took a trip to the National Museum of Natural History.
103
327000
4000
و لكن بعد ذلك قمت برحلة إلى المتحف القومي للتاريخ الطبيعي.
05:56
And if any of you ever have a chance,
104
331000
2000
و لو كان لدى أحدكم الفرصة
05:58
backstage of the National Museum of Natural History
105
333000
2000
في خلفية المتحف القومي للتاريخ الطبيعي
06:00
is one of the world's best collections of preserved mantis shrimp. And what --
106
335000
4000
هناك مجموعة من أفضل مجموعات قريدس فرس النبي المحفوظة. و --
06:04
(Laughter)
107
339000
1000
(ضحك)
06:05
this is serious business for me.
108
340000
2000
هذا أمر مهم بالنسبة لي.
06:07
(Laughter)
109
342000
1000
(ضحك)
06:08
So, this -- what I saw, on every single mantis shrimp limb,
110
343000
5000
إذن فما رأيته على ساق كل قريدس رأيته
06:13
whether it's a spearer or a smasher,
111
348000
2000
سواء كان طاعنا أو كاسرا,
06:15
is a beautiful saddle-shaped structure
112
350000
2000
هو تكوين جميل يشبه السرج
06:17
right on the top surface of the limb. And you can see it right here.
113
352000
4000
بالظبط على السطح العلوي للطرف. و يمكن رؤيته ها هنا.
06:21
It just looks like a saddle you'd put on a horse.
114
356000
2000
إنها تشبة بالظبط السرج الذي نضعه على الحصان.
06:23
It's a very beautiful structure.
115
358000
2000
إنه تكوين جميل حقا.
06:25
And it's surrounded by membranous areas. And those membranous areas
116
360000
5000
وهو محاط بمنطقة غشائية. و تلك المناطق الغشائية
06:30
suggested to me that maybe this is some kind of dynamically flexible structure.
117
365000
4000
أوحت لى أنه ربما هذا التكوين هو نوع من التركيبات المرنة المتحركة.
06:34
And this really sort of had me scratching my head for a while.
118
369000
3000
و لقد جعلني هذا أحك رأسي مفكرةً لمدة من الوقت.
06:37
And then we did a series of calculations, and what we were able to show
119
372000
4000
ثم قمنا بمجموعة من الحسابات, و ما تمكنا من إيضاحه
06:41
is that these mantis shrimp have to have a spring.
120
376000
4000
هو أنه يجب أن يحتوى جسم القريدس على زنبرك.
06:45
There needs to be some kind of spring-loaded mechanism
121
380000
3000
بالتأكيد هناك نوع من أنواع الميكانيكيات المحملة على زنبرك
06:48
in order to generate the amount of force that we observe,
122
383000
2000
ليولِّد هذا الكم من القوى الذي نلاحظه,
06:50
and the speed that we observe, and the output of the system.
123
385000
3000
و السرعة التي نراها, هذه الطاقة الناتجة من النظام.
06:53
So we thought, OK, this must be a spring --
124
388000
3000
و فكرنا, بالتأكيد هذا زنبرك--
06:56
the saddle could very well be a spring.
125
391000
2000
هذا السرج ممكن جدا أن يكون زنبرك أو سوستة.
06:58
And we went back to those high-speed videos again,
126
393000
2000
وعدنا مرة أخرى إلى فيديوهات السرعة الفائقة,
07:00
and we could actually visualize the saddle compressing and extending.
127
395000
6000
و يمكننا بالفعل رؤية السرج وهو ينقبض و يتمدد.
07:06
And I'll just do that one more time.
128
401000
3000
و سأعيد هذه مرة أخرى.
07:09
And then if you take a look at the video --
129
404000
2000
و إذا نظرت إلى هذا الفيديو مرة أخرى--
07:11
it's a little bit hard to see -- it's outlined in yellow.
130
406000
2000
صعب رؤيتها بعض الشئ --إنه محدد بالأصفر.
07:13
The saddle is outlined in yellow. You can actually see it
131
408000
2000
السرج محدد بالأصفر. يمكنكم رؤيته بالفعل
07:15
extending over the course of the strike, and actually hyperextending.
132
410000
4000
وهو يتمدد أثناء حدوث الحركة, ثم يزداد تمددا
07:19
So, we've had very solid evidence showing
133
414000
2000
إذن فلدينا دليل قوي للغاية يوضح
07:21
that that saddle-shaped structure actually compresses and extends,
134
416000
4000
أن هذا التكوين شبيه السرج بالفعل ينقبض و ينبسط,
07:25
and does, in fact, function as a spring.
135
420000
2000
وهو يعمل في الحقيقة كزنبرك.
07:27
The saddle-shaped structure is also known as a "hyperbolic paraboloid surface,"
136
422000
5000
هذا التركيب شبيه السرج معروف أيضا بالسطح المكافئ الزائدي,
07:32
or an "anticlastic surface."
137
427000
2000
أو سطح Anticlastic.
07:34
And this is very well known to engineers and architects,
138
429000
2000
وهذه أسطح معروفة لدى المهندسين و المعماريين,
07:36
because it's a very strong surface in compression.
139
431000
3000
لأنه سطح قوي جدا من ناحية الضغط.
07:39
It has curves in two directions,
140
434000
2000
له منحنيين في إتجاهين مختلفين,
07:41
one curve upward and opposite transverse curve down the other,
141
436000
3000
منحنى لأعلى و الأخر عكسه أحدهم على الآخر,
07:44
so any kind of perturbation spreads the forces
142
439000
3000
فأي نوع من القوى الضاغطة ستتوزع
07:47
over the surface of this type of shape.
143
442000
3000
على سطح هذا النوع من الأشكال.
07:50
So it's very well known to engineers, not as well known to biologists.
144
445000
4000
إذن فهو مألوف لدى المهندسين و لكن ليس لدى عالمي الأحياء
07:54
It's also known to quite a few people who make jewelry,
145
449000
4000
وهو أيضا معروف لدى القليلون ممن يصنعون المجوهرات,
07:58
because it requires very little material
146
453000
3000
لأنه يأخذ كمية قليلة جدا من الخامات
08:01
to build this type of surface, and it's very strong.
147
456000
3000
لبناء هذا النوع من الأسطح, كما أنه قوي جدا.
08:04
So if you're going to build a thin gold structure,
148
459000
2000
إذن إذا كنت ستصنع شكل رفيع من الذهب
08:06
it's very nice to have it in a shape that's strong.
149
461000
2000
يُفضل أن يكون في شكل قوي.
08:08
Now, it's also known to architects. One of the most famous architects
150
463000
5000
الآن هو معروف أيضا لدى المهندسين المعماريين. أحد أشهر المهندسين المعماريين
08:13
is Eduardo Catalano, who popularized this structure.
151
468000
3000
وهو إدواردو كاتالانو جعل هذا التكوين مشهورا.
08:16
And what's shown here is a saddle-shaped roof that he built
152
471000
3000
و ما ترونه هنا هو سطح مبنى بناه على شكل سرج
08:19
that's 87 and a half feet spanwise.
153
474000
4000
على إمتداد 87 قدم و نصف.
08:23
It's two and a half inches thick, and supported at two points.
154
478000
3000
و سمكه إنشين و نصف و مرتكز على نقطتان فقط.
08:26
And one of the reasons why he designed roofs this way is because it's --
155
481000
5000
و أحد الأسباب التي جعلته يصمم أسطح مباني بهذه الطريقة هو
08:31
he found it fascinating that you could build such a strong structure
156
486000
4000
أنه وجد أنه من الرائع أنه يمكنك بناء تكوين قوي كهذا
08:35
that's made of so few materials and can be supported by so few points.
157
490000
4000
مصنوع من مواد خام قليلة و مرتكز على عدد قليل من النقاط.
08:39
And all of these are the same principles that apply
158
494000
4000
وكل هذه العوامل نفسها تنطبق على
08:43
to the saddle-shaped spring in stomatopods.
159
498000
2000
الزنبرك شبيه السرج في الستومابود.
08:45
In biological systems it's important not to have a whole lot
160
500000
3000
في الأنظمة البيولوجية من المهم ألا يكون هناك الكثير
08:48
of extra material requirements for building it.
161
503000
3000
من المواد الزائدة المطلوبة لبنائها.
08:51
So, very interesting parallels between the biological
162
506000
3000
إذن فهناك الكثير من المتشابهات بين عالم الأحياء
08:54
and the engineering worlds. And interestingly, this turns out --
163
509000
4000
و عالم الهندسة. و من المثير كما يتضح--
08:58
the stomatopod saddle turns out to be the first
164
513000
2000
أن سرج الستومابود هذا هو أول
09:00
described biological hyperbolic paraboloid spring.
165
515000
3000
زنبرك حيوي علي شكل سطح مكافئ زائدي.
09:03
That's a bit long, but it is sort of interesting.
166
518000
3000
هذا إسم طويل و لكنه مثير نوعا ما.
09:06
So the next and final question was, well, how much force
167
521000
3000
السؤال التالي و الأخير كان, حسنا, ما كم القوى
09:09
does a mantis shrimp produce if they're able to break open snails?
168
524000
4000
التي يولدها قريدس فرس النبي من أجل أن يكسر الحلزون؟
09:13
And so I wired up what's called a load cell.
169
528000
2000
إذن وصلت ما يدعى بخلية تحميل (محول القوة إلى إشارة كهربية)
09:15
A load cell measures forces, and this is actually
170
530000
2000
و خلية التحميل تقيس القوى, وهذه في الواقع
09:17
a piezoelectronic load cell that has a little crystal in it.
171
532000
3000
خلية تحميل كهرو-إنضغاطية تحتوي على بعض البلورات.
09:20
And when this crystal is squeezed, the electrical properties change
172
535000
4000
و عندما تنضغط تلك البلورات تتغير صفاتها الكهربية
09:24
and it -- which -- in proportion to the forces that go in.
173
539000
2000
بشكل يعادل القوى المؤثرة عليها.
09:26
So these animals are wonderfully aggressive,
174
541000
3000
و هذه الحيوانات عدوانية بشكل هائل
09:29
and are really hungry all the time. And so all I had to do
175
544000
3000
و هم جائعون طوال الوقت. إذن كل ما تطلبه الأمر
09:32
was actually put a little shrimp paste on the front of the load cell,
176
547000
3000
هو في الواقع أن أضع بعض دهان القريدس على مقدمة الخلية,
09:35
and they'd smash away at it.
177
550000
2000
فيبدأون في ضربها.
09:37
And so this is just a regular video of the animal
178
552000
4000
و هذا فيديو عادي للحيوان وهو
09:41
just smashing the heck out of this load cell.
179
556000
3000
ينهال ضربا على خلية التحميل.
09:44
And we were able to get some force measurements out.
180
559000
3000
و بالتالي تمكنا من إستخراج قياسات للقوى.
09:47
And again, we were in for a surprise.
181
562000
2000
و مرة أخرى كانت في إنتظارنا مفاجأة.
09:49
I purchased a 100-pound load cell, thinking,
182
564000
2000
لقد إشتريت خلية تحميل تتحمل 100 باوند,معتقدة
09:51
no animal could produce more than 100 pounds at this size of an animal.
183
566000
4000
أنه لا يوجد حيوان يمكن أن يولد أكثر من 100 باوند قوى في هذا الحجم
09:55
And what do you know? They immediately overloaded the load cell.
184
570000
2000
و ماذا حدث؟ على الفور زاد على حمل خلية التحميل.
09:57
So these are actually some old data
185
572000
2000
و هذه في الواقع بعض البيانات القديمة
09:59
where I had to find the smallest animals in the lab,
186
574000
2000
حيث أحضرت أصغر حيوان في المعمل
10:01
and we were able to measure forces of well over 100 pounds
187
576000
3000
و تمكنا من قياس قوى تتخطى ال100 باوند
10:04
generated by an animal about this big.
188
579000
3000
يولدها حيوان بهذا الحجم.
10:07
And actually, just last week I got a 300-pound load cell
189
582000
2000
و في الواقع أحضرت الأسبوع الماضي فقط خلية تحميل تتحمل حتى 300 باوند
10:09
up and running, and I've clocked these animals generating
190
584000
3000
و شغلتها و قمت بالقياس لهذه الحيوانات
10:12
well over 200 pounds of force.
191
587000
2000
وهي تولد قوى تتخطى ال200 باوند.
10:14
And again, I think this will be a world record.
192
589000
3000
و مرة أخرى, أعتقد أن هذا سيكون رقما قياسيا.
10:17
I have to do a little bit more background reading,
193
592000
2000
يجب على أن أراجع أولا في هذا الموضوع
10:19
but I think this will be the largest amount of force produced
194
594000
3000
و لكنني أعتقد أن هذا سيكون أكبر مقدار من القوى يولده
10:22
by an animal of a given -- per body mass. So, really incredible forces.
195
597000
5000
أي حيوان بالمقارنة بكتلة الجسم. إذن فهي قوة هائلة فعلا.
10:27
And again, that brings us back to the importance of that spring
196
602000
3000
و هذا يعيدنا مرة أخرى لأهمية هذا الزنبرك
10:30
in storing up and releasing so much energy in this system.
197
605000
4000
في تخزين و إطلاق هذا الكم من القوة في هذا النظام.
10:34
But that was not the end of the story.
198
609000
2000
و لكن هذه ليست نهاية القصة.
10:36
Now, things -- I'm making this sound very easy, this is actually a lot of work.
199
611000
3000
أنا أجعل هذا يبدو سهلا للغاية ولكنه في الواقع عمل شاق.
10:39
And I got all these force measurements,
200
614000
2000
فقمت بتجميع كل قياسات القوى هذه,
10:41
and then I went and looked at the force output of the system.
201
616000
4000
ثم ذهبت و رأيت القوة الناتجة من الخلية.
10:45
And this is just very simple -- time is on the X-axis
202
620000
3000
وهذا سهل للغاية-- الوقت على محور السينات
10:48
and the force is on the Y-axis. And you can see two peaks.
203
623000
3000
و القوة على محور الصادات. و يمكنكم رؤية قمتين - ذروتين -
10:51
And that was what really got me puzzled.
204
626000
4000
و هذا ما حيرني للغاية.
10:55
The first peak, obviously, is the limb hitting the load cell.
205
630000
3000
القمة الأولى و كما هو واضح, هي قوة الطرف وهو يضرب خلية التحميل.
10:58
But there's a really large second peak half a millisecond later,
206
633000
6000
و لكن هناك قمة ثانية كبير جدا بعدها بحوالي نصف ميللي ثانية.
11:04
and I didn't know what that was.
207
639000
2000
و لم أكن أعرف ما هي
11:06
So now, you'd expect a second peak for other reasons,
208
641000
3000
و يمكن أن نتوقع تكوّن قمة ثانية لأي سبب
11:09
but not half a millisecond later.
209
644000
2000
و لكن ليس بد الأولى ب ½ ميللي ثانية.
11:11
Again, going back to those high-speed videos,
210
646000
2000
مرة أخرى نعود إلى الفيديوهات فائقة السرعة,
11:13
there's a pretty good hint of what might be going on.
211
648000
4000
فهناك توجد إشارة واضحة لما يحدث.
11:17
Here's that same orientation that we saw earlier.
212
652000
2000
هذا نفس التوجيه الذي رأيناه سابقا
11:19
There's that raptorial appendage -- there's the heel,
213
654000
3000
هذا هو الطرف الكاسر, ها هو الكعب,
11:22
and it's going to swing around and hit the load cell.
214
657000
3000
و سيتطوح و يضرب خلية التحميل.
11:25
And what I'd like you to do in this shot is keep your eye on this,
215
660000
3000
و ما أريدكم أن تفعلوه في هذه اللقطة هي أن تركزوا على هذا
11:28
on the surface of the load cell, as the limb comes flying through.
216
663000
5000
على سطح خلية التحميل, أثناء إنبساط و ضرب الطرف.
11:33
And I hope what you are able to see is actually a flash of light.
217
668000
5000
و أعتقد أن ما ترونه هو في الواقع ومضة من الضوء.
11:38
Audience: Wow.
218
673000
2000
الجمهور: ياه!!
11:40
Sheila Patek: And so if we just take that one frame, what you can actually see there
219
675000
4000
شيلا :و إذن لو أخذنا هذه اللقطة فقط, ما يمكنكم رؤيته بالفعل
11:44
at the end of that yellow arrow is a vapor bubble.
220
679000
3000
في نهاية هذا السهم الأصفر هو فقاعة بخار.
11:47
And what that is, is cavitation.
221
682000
2000
و هذا هو مايدعى بالتكهف.
11:49
And cavitation is an extremely potent fluid dynamic phenomenon
222
684000
4000
و التكهف هو ظاهرة مائية ديناميكية قوية جدا
11:53
which occurs when you have areas of water
223
688000
3000
و التي تحدث عندما يكون هناك مناطق من الماء
11:56
moving at extremely different speeds.
224
691000
2000
تتحرك بسرعات متفاوتة بشكل هائل.
11:58
And when this happens, it can cause areas of very low pressure,
225
693000
4000
و عندما يحدث هذا, يتسبب في مناطق من الضغط المنخفض جدا,
12:02
which results in the water literally vaporizing.
226
697000
3000
و التي تتسبب حرفيا في تبخر المياه.
12:05
And when that vapor bubble collapses, it emits sound, light and heat,
227
700000
4000
و عندما تنفجر فقاعة البخار هذه, تطلق صوت , ضوء و حرارة,
12:09
and it's a very destructive process.
228
704000
2000
وهي عملية مدمرة للغاية.
12:11
And so here it is in the stomatopod. And again, this is a situation
229
706000
5000
و ها هي تحدث مع الستومابود. و مرة أخرى هذا موقف
12:16
where engineers are very familiar with this phenomenon,
230
711000
3000
وظاهرة يألفها المهندسون,
12:19
because it destroys boat propellers.
231
714000
2000
لأنها تدمر مراوح القوارب والسفن.
12:21
People have been struggling for years to try and design
232
716000
3000
و هم يصارعون منذ سنين ليحاولوا و يصمموا
12:24
a very fast rotating boat propeller that doesn't cavitate
233
719000
4000
مراوح سفن سريعة الدوران دون أن تُحدِث تكهفا
12:28
and literally wear away the metal and put holes in it,
234
723000
2000
و أن تتسبب في تآكل المعدن حرفيا و تحفر فيه ثقوب,
12:30
just like these pictures show.
235
725000
2000
مثلما تبين تلك الصور.
12:32
So this is a potent force in fluid systems, and just to sort of take it one step further,
236
727000
9000
هذه قوى مؤثرة للغاية في الأنظمة المائية و لنأخذ هذا خطوة أخرى للأمام
12:41
I'm going to show you the mantis shrimp approaching the snail.
237
736000
3000
ساريكم الآن قريدس فرس النبي و هو يقترب من الحلزون.
12:44
This is taken at 20,000 frames per second, and I have to give
238
739000
4000
هذا تم تصويره بمعدل 20.000 لقطة في الثانية و يرجعع الفضل كاملا
12:48
full credit to the BBC cameraman, Tim Green, for setting this shot up,
239
743000
4000
في هذا لمصوِّر الBBC, تيم جرين, لتصويره هذا المنظر
12:52
because I could never have done this in a million years --
240
747000
3000
لأنني لم أكن أبدا لأتمكن من فعل هذا ولو في مليون سنة.
12:55
one of the benefits of working with professional cameramen.
241
750000
3000
أحد منافع العمل مع المصورين المحترفين.
12:58
You can see it coming in, and an incredible flash of light,
242
753000
4000
سترونه قادما, ثم ومضة هائلة من الضوء,
13:02
and all this cavitation spreading over the surface of the snail.
243
757000
4000
و كل هذا التكهف ينتشر على سطح الحلزون.
13:06
So really, just an amazing image,
244
761000
3000
إذن فهذه بحق صورة رائعة,
13:09
slowed down extremely, to extremely slow speeds.
245
764000
4000
تم تبطيئها إلى سرعات بطيئة إلى حد مذهل.
13:13
And again, we can see it in slightly different form there,
246
768000
3000
و مرة أخرى يمكنكم رؤيتها في شكل مختلف قليلا,
13:16
with the bubble forming and collapsing between those two surfaces.
247
771000
4000
و الفقاعة تتكون و تنفجر ما بين السطحين.
13:20
In fact, you might have even seen some cavitation going up the edge of the limb.
248
775000
5000
في الواقع, ربما رأيتم بعض التكهف ينتشر على حد الطرف.
13:25
So to solve this quandary of the two force peaks:
249
780000
3000
إذن لنحل معضلة زروتي المنحنى هذه:
13:28
what I think was going on is: that first impact is actually
250
783000
2000
ما أعتقد أنه يحدث هو, أن الإصطدام الأول
13:30
the limb hitting the load cell, and the second impact is actually
251
785000
3000
هو الطرف وهو يرتطم بخلية التحميل, و الإصطدام الثاني هو في الواقع
13:33
the collapse of the cavitation bubble.
252
788000
2000
إنفجار فقاعة التكهف.
13:35
And these animals may very well be making use of
253
790000
3000
و هذه الحيونات في الأغلب تستغل
13:38
not only the force and the energy stored with that specialized spring,
254
793000
4000
ليس فقط الطاقة المختزنة في هذا الزنبرك المتخصص,
13:42
but the extremes of the fluid dynamics. And they might actually be
255
797000
4000
ولكن أيضا تستغل ديناميكيات المياه المتطرفة. و هو ربما بالفعل
13:46
making use of fluid dynamics as a second force for breaking the snail.
256
801000
4000
يستخدم هذه الديناميكيات كقوى مضاعفة لكسر الحلزون.
13:50
So, really fascinating double whammy, so to speak, from these animals.
257
805000
6000
إذا فهي ضربة مزدوجة رائعة ,على حد القول بالنسبة لهذه الحيوانات.
13:56
So, one question I often get after this talk --
258
811000
2000
إذن, سؤال آخر عادة يسألونه في نهاية هذا الحديث--
13:58
so I figured I'd answer it now -- is, well, what happens to the animal?
259
813000
3000
و فكرت أن أجيبه الآن --هو ماذا يحدث لهذه الحيوانات؟
14:01
Because obviously, if it's breaking snails,
260
816000
3000
لأنه من الواضح, لو كانت تكسر الحلزونات,
14:04
the poor limb must be disintegrating. And indeed it does.
261
819000
3000
هذا الطرف المسكين لابد أنه يتفكك. وهو بالفعل يتفكك.
14:07
That's the smashing part of the heel on both these images,
262
822000
3000
هذا هو الجزء الضارب من الكعب في هاتين الصورتين,
14:10
and it gets worn away. In fact, I've seen them wear away
263
825000
2000
و هو يتآكل. في الواقع لقد رأيتهم يتآكلون
14:12
their heel all the way to the flesh.
264
827000
2000
حتى يصلوا إلى اللحم.
14:14
But one of the convenient things about being an arthropod
265
829000
3000
و لكن أحد الأشياء الملائمة في كونهم مفصليات
14:17
is that you have to molt. And every three months or so
266
832000
3000
هو أنه يجب أن يتقشر. و كل ثلاثة أشهر أو ما شابه
14:20
these animals molt, and they build a new limb and it's no problem.
267
835000
5000
تتقشر تلك الحيوانات و تكوِّن طرف جديد و بالتالي لا توجد مشكلة.
14:25
Very, very convenient solution to that particular problem.
268
840000
4000
وهو حل مثالي و ملائم للغاية لهذه المشكلة.
14:29
So, I'd like to end on sort of a wacky note.
269
844000
5000
إذن أريد أن أُنهي حديثي بملحوظة مجنونة.
14:34
(Laughter)
270
849000
3000
(ضحك)
14:37
Maybe this is all wacky to folks like you, I don't know.
271
852000
4000
ربما كل ما قلته يبدو مجنونا لكم, لا أعرف.
14:41
(Laughter)
272
856000
1000
(ضحك)
14:42
So, the saddles -- that saddle-shaped spring --
273
857000
3000
هذه الأسراج, الزنبرك الشبيه بالسرج--
14:45
has actually been well known to biologists for a long time,
274
860000
4000
كان معروفا في الواقع منذ مدة لدى العديد من علماء الأحياء
14:49
not as a spring but as a visual signal.
275
864000
4000
ليس كزنبرك بل كإشارة بصرية.
14:53
And there's actually a spectacular colored dot
276
868000
2000
و هذه في الواقع نقطة ذات لون بديع
14:55
in the center of the saddles of many species of stomatopods.
277
870000
6000
في منتصف السرج موجودة في مختلف أنواع الستوماتوبود.
15:01
And this is quite interesting, to find evolutionary origins
278
876000
3000
و هذا مثير للإهتمام, أن نجد أصول متطورة
15:04
of visual signals on what's really, in all species, their spring.
279
879000
6000
للإشارات البصرية على ما هو في الواقع في كل الأنواع, زنبرك.
15:10
And I think one explanation for this could be
280
885000
2000
و أعتقد أن أحد التفسيرات لهذا ربما تعيدنا
15:12
going back to the molting phenomenon.
281
887000
2000
إلى ظاهرة التقشُّر.
15:14
So these animals go into a molting period where they're
282
889000
3000
فعندما تدخل تلك الحيوانات فترة التقشُّر حيث يفقدون قدرتهم
15:17
unable to strike -- their bodies become very soft.
283
892000
3000
على الضرب --أجسامهم تصبح هشة جدا.
15:20
And they're literally unable to strike or they will self-destruct.
284
895000
3000
وهم لا يستطيعون الضرب بالمرة و إلا سيدمرون أنفسهم.
15:23
This is for real. And what they do is, up until that time period
285
898000
7000
هذا حقيقي, و ما يفعلونه هو, قبل بداية تلك المرحلة التي
15:30
when they can't strike, they become really obnoxious and awful,
286
905000
3000
لا يستطيعون الضرب فيها, يكونوا فظيعين و بغضاء
15:33
and they strike everything in sight; it doesn't matter who or what.
287
908000
4000
يضربون كل ما يأتي أمامهم, أيا كان دون فرق.
15:37
And the second they get into that time point when they can't strike any more,
288
912000
4000
و في اللحظة التي يدخلون فيها تلك النرحلة حيث لا يستطيعون الإستمرار في الضرب,
15:41
they just signal. They wave their legs around.
289
916000
3000
هم فقط يقومون بلإشارة. يلوحون بأطرافهم.
15:44
And it's one of the classic examples in animal behavior of bluffing.
290
919000
4000
وهذه واحده من الأمثلة المعتادة في خداع الحيوانات.
15:48
It's a well-established fact of these animals
291
923000
2000
إنها حقيقة مؤكدة في تلك الحيوانات
15:50
that they actually bluff. They can't actually strike, but they pretend to.
292
925000
4000
إنهم يخادعون. هم لا يستطيعون الضرب و لكنهم بتظاهرون بذلك.
15:54
And so I'm very curious about whether those colored dots
293
929000
2000
و لذلك أنا أشعر بالفضول لمعرفة إذا كانت تلك النقاط الملونة
15:56
in the center of the saddles are conveying some kind of information
294
931000
4000
في منتصف السرج توحي بنوع من المعلومات
16:00
about their ability to strike, or their strike force,
295
935000
3000
عن قدرتهم على الضرب أو القوة التي يضربون بها,
16:03
and something about the time period in the molting cycle.
296
938000
3000
و شيء عن الفترة الزمنية في دورة التقشُّر.
16:06
So sort of an interesting strange fact to find a visual structure
297
941000
5000
إذن فهي حقيقة مثيرة و غريبة أن نجد تكوين مرئي
16:11
right in the middle of their spring.
298
946000
3000
في منتصف الزنبرك خاصتها.
16:14
So to conclude, I mostly want to acknowledge my two collaborators,
299
949000
5000
إذن لأنهي حيثي, أود أن أبدي تقديري لزملائي
16:19
Wyatt Korff and Roy Caldwell, who worked closely with me on this.
300
954000
3000
وايات كورف و روي كالدويل, الذان عملوا معي في هذا المشروع.
16:22
And also the Miller Institute for Basic Research in Science,
301
957000
3000
و أيضا معهد ميلر لأبحاث العلوم,
16:25
which gave me three years of funding to just do science all the time,
302
960000
4000
الذي أعطاني تمويل ثلاثة سنوات فقط لأبحث في العلم طوال الوقت
16:29
and for that I'm very grateful. Thank you very much.
303
964000
3000
و لذلك أنا ممتنة للغاية. شكرا جزيلا لكم.
16:32
(Applause)
304
967000
1000
(تصفيق)
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