Sheila Patek klokt de snelste dieren

Biologe Sheila Patek praat over haar werk om de slagsnelheid van de bidsprinkhaankreeft te meten, één van de snelste bewegingen in de dierenwereld, met gebruik van videocamera's die 20.000 beelden per seconde vastleggen.

Als je de kreeft wil leren bespelen... hier zijn er een paar.

Dat is geen grapje, die zijn hier echt.

Dus kom na afloop naar boven en ik laat het je zien.

Enkele jaren geleden begon ik de zogenaamde bidsprinkhaankreeft

te bestuderen omdat die geluid produceert.

Dit is een opname die ik maakte van zo'n kreeft,

die leeft langs de kust van Californië.

Hoewel dat een zeer fascinerend geluid is,

blijkt het een erg moeilijk project te zijn.

Terwijl ik probeerde uit te vissen hoe en waarom bidsprinkhaankreeften,

of stomatopoda, geluid maken, begon ik na te denken over hun aanhangsels.

Bidsprinkhaankreeften krijgen hun naam van de bidsprinkhaan,

die ook een snel jacht-aanhangsel heeft. Ik begon te denken:

terwijl ik ze beluister kan ik misschien uitvissen

hoe deze dieren zeer snelle slagen genereren.

Dus vandaag spreek ik over de extreme stomatopoda-slag,

werk dat ik deed in samenwerking met Wyatt Korff en Roy Caldwell.

Bidsprinkhaankreeften zijn er in twee soorten:

de spietsers en de knallers.

Dit is een spietsende bidsprinkhaankreeft.

Hij leeft in het zand en vangt dingen die boven hem bewegen.

Dus, een snelle slag als deze. Laten we even vertragen.

Dit is de bidsprinkhaankreeft -- dezelfde soort --

opgenomen met 1000 beelden per seconde,

weergegeven met 15 beelden per seconde.

Je ziet dat dit een spectaculaire strekking van het ledemaat is.

Hij explodeert naar boven om

een stukje dode garnaal te vangen dat ik hem aanbood.

De andere soort bidsprinkhaankreeft is de knaller-stomatopoda.

Deze jongens openen slakken voor de kost.

Deze kerel positioneert de slak en geeft hem een flinke oplawaai.

(Gelach)

Ik speel het nog eens.

Hij wiebelt hem op zijn plek, sleept hem met zijn neus... en knal.

Een paar knallen later is de slak opengebroken en heeft hij een goed maaltje.

Het roofaanhangsel kan dus spietsen met een punt op het eind,

of knallen met de hiel.

Vandaag zal ik het hebben over de knallende soort.

De eerste vraag die bij me opkwam was:

nou, hoe snel beweegt die ledemaat?

Want het beweegt verdraaid snel op die video.

Ik stuitte onmiddelijk op een probleem.

Iedere hoge-snelheidscamera in de biologieafdeling

van Berkeley was niet snel genoeg om dit te vangen.

We konden het simpelweg niet op video vangen.

Dit stond me behoorlijk lange tijd in de weg.

Toen kwam een BBC-ploeg door de biologie-afdeling gestruind,

op zoek naar een verhaal over nieuwe technologieën in biologie.

We sloten een deal.

Ik zei: "Nou, als jullie de hogesnelheidscamera huren

die deze bewegingen kan opnemen,

mogen jullie ons filmen terwijl we data verzamelen."

Geloof het of niet, ze deden het. (Gelach)

Dus we kregen een ongelofelijk videosysteem. Nieuwe technologie --

het kwam zo'n jaar geleden uit --

waarmee je op extreem hoge snelheden met weinig licht kan filmen.

Weinig licht is een kritiek punt bij het filmen van dieren,

want als het te veel is, braad je ze. (Gelach)

Dit is dus een bidsprinkhaankreeft. De ogen zitten daar boven,

en hier is dat roofaanhangsel, en hier is de hiel.

Dat ding gaat rondzwiepen om de slak te kraken.

De slak is aan een stok gebonden,

zodat het shot makkelijker op te zetten was.

(Gelach)

Ik hoop dat er geen slakkenrechten-activisten hier zijn.

(Gelach)

Dit is gefilmd met 5000 opnames per seconde,

en afgespeeld op 15... dus dit is 333 maal vertraagd.

Zoals je ziet, is het nog steeds verdomd snel.

Een ongelofelijk krachtige beweging.

Het hele ledemaat strekt uit. De romp spant zich achterwaarts --

een spectaculaire beweging.

Dus we keken naar deze video's

en maten hoe snel het ledemaat bewoog

om op de beginvraag terug te komen.

We kregen onze eerste verrassing.

We berekenden dat de ledematen bewogen

met een topsnelheid variërend van 10 meter per seconde

tot 23 meter per seconde.

Voor degenen die de voorkeur geven aan km/u,

dat is ruim 72 km/u onder water. Echt verdraaid snel.

In feite is het zo snel dat we een nieuw punt konden toevoegen

op het extreme dierenbewegings-spectrum.

De bidsprinkhaankreeft heeft officieel de snelste jacht-slagsnelheid

van alle dierensystemen. Onze eerste verrassing.

(Applaus)

Dus dat was echt cool en heel onverwacht.

Je vraagt je misschien af hoe ze het klaarspelen.

Dit werk is gedaan in de jaren 60

door een beroemde bioloog genaamd Malcolm Burrows.

Hij liet zien in bidsprinkhaankreeften dat ze een

zogenaamd 'grendelmechanisme', of 'klik-mechanisme' gebruiken.

Dat bestaat uit een grote spier

die er flink lang over doet om samen te trekken,

en een veerslot dat de zaak vastzet.

Dus de spier spant zich, en er gebeurt niets.

Als de spier totaal gespannen is, is de energie opgeslagen --

het veerslot vliegt omhoog, en je hebt de beweging.

Dat is wat we noemen een 'kracht-versterkingssysteem'.

Het spannen van de spier duurt lang,

en het uitzwiepen van het ledemaat heel kort.

Dus ik dacht dat dit het einde van het verhaal was.

Zo maken bidsprinkhaankreeften die zeer snelle slagen.

Maar toen bezocht ik het National museum of Natural History.

Als jullie ooit de kans hebben,

achter de coulissen van het museum

bevindt zich een van 's werelds beste collecties van bidsprinkhaankreeften..

(Gelach)

... Ik méén het!

(Gelach)

Wat ik zag op ieder bidsprinkhaankreeft-ledemaat,

zowel spietsers als knallers,

was een mooie zadelvormige structuur

precies op de bovenkant van het ledemaat. Hier zie je het.

Het lijkt op een zadel voor een paard.

Een erg mooie structuur.

Het is omgeven door vliezige delen, waardoor ik

vermoedde dat dit wellicht een soort dynamisch-flexibele structuur is.

Een tijdlang kon ik daar weinig mee.

Toen deden we een serie berekeningen, en konden aantonen

dat deze kreeften een veer moeten hebben.

Er moet een soort veergeladen mechanisme zijn

om de soort krachten te genereren die we observeerden,

en de snelheid en de prestatie die we zagen.

Dus we dachten: oké, dit moet een veer zijn --

het zadel zou goed een veer kunnen zijn.

We gingen terug naar die hoge-snelheidsvideo's,

en konden het samentrekken en uitzetten van het zadel zichtbaar maken.

Ik zal het nog eens doen.

Als je vervolgens naar de video kijkt --

het is wat moeilijk te zien.

Het zadel is geel gemarkeerd. Tijdens de slag

kun je zien hoe het uitstrekt, en zelfs nog uitdijt.

Dus we hadden zeer solide bewijs

dat die zadelvormige structuur samentrekt en uitzet,

en feitelijk als veer functioneert.

De zadelvormige structuur staat bekend als een 'hyperbolisch paraboloïde oppervlak',

of een 'anticlastisch oppervlak'.

Dit is welbekend bij ingenieurs en architecten,

omdat het oppervlak zeer sterke compressie weerstaat.

Het heeft krommingen in twee richtingen,

een opwaartse kromming en een dwarskromming,

zodat elke inwerkende kracht zich

verspreidt over het oppervlak van deze vorm.

Bij ingenieurs dus welbekend, bij biologen wat minder.

Het is ook bekend bij heel wat mensen die sieraden maken,

want het vergt erg weinig materiaal

om dit oppervlak te maken, en het is erg sterk.

Dus als je een heel dunne gouden structuur maakt,

is het fijn om het in een vorm te hebben die sterk is.

Het is ook bekend bij architecten. Eén van de beroemdste architecten

is Eduardo Catanalo, die de structuur populair maakte.

Hier zie je een zadelvormig dak dat hij ontwierp,

dat bijna 27 meter overspant.

Het is 6,35 cm dik, en wordt op twee punten ondersteund.

Eén van de redenen waarom hij dergelijke daken ontwierp, is omdat

het hem fascineerde dat je zo'n sterke structuur kan bouwen

van zo weinig materiaal, en ondersteund op zo weinig punten.

Dit zijn allemaal dezelfde principes die van toepassing zijn

op de zadelvormige veer in stomatopoda.

In biologische systemen is het belangrijk om niet teveel

extra materiaal nodig te hebben om ze te bouwen.

Erg interessante parallellen dus,

tussen de biologische, en de ingenieurswereld.

Interessanterwijs blijkt het stomatopodenzadel

de eerste biologische hyperbolische paraboloïde veer te zijn.

Dat is wat lang, maar het is wel interessant.

De volgende en laatste vraag was: hoeveel kracht

produceert zo'n kreeft als ze slakken open kunnen breken?

Dus bevestigde ik een zogenaamde drukdoos.

Een drukdoos meet krachten, en dit is

een piëzo-elektrische drukdoos met een klein kristal erin.

Als dit kristal wordt samengedrukt, veranderen de elektrische eigenschappen

evenredig aan de inkomende krachten.

Deze dieren zijn fantastisch agressief,

en hebben echt altijd honger. Dus ik hoefde alleen

wat garnalenpasta op de drukdoos te smeren,

en ze begonnen ertegen te meppen.

Dit is een gewone video van het dier

terwijl het die drukdoos tot moes probeert te slaan.

We verzamelden zodoende wat kracht-metingen.

Opnieuw stonden we voor een verrassing.

Ik kocht een 45 kilo-drukdoos,

in de aanname dat zo'n klein dier nooit meer dan 45 kilo aan kracht kon produceren.

Maar meteen overbelastten ze de drukdoos.

Dit zijn wat oude data

van de kleinste dieren uit het lab,

en we maten krachten van ver boven de 45 kilo,

van een dier van ongeveer deze grootte.

Vorige week heb ik een 135 kilo-drukdoos geïnstalleerd

en ik heb krachten gemeten van deze dieren

van boven de 90 kilo.

Opnieuw denk ik dat dit een wereldrecord zal zijn.

Ik moet nog wat meer over de materie lezen,

maar ik denk dat dit de grootste geproduceerde kracht is

per lichaamsgewicht. Ongelofelijke krachten.

Nogmaals brengt dat ons terug naar het belang van die veer

in het opslaan en vrijgeven van zoveel energie in dit systeem.

Maar dat was niet het einde van het verhaal.

Zo verteld lijkt het makkelijk, maar het was veel werk.

Ik kreeg allemaal kracht-metingen,

en ging toen kijken naar de kracht die uit het systeem komt.

Het is heel simpel -- tijd staat op de X-as

en kracht staat op de Y-as. Je ziet twee pieken.

Daar snapte ik helemaal niets van.

De eerste piek is uiteraard het ledemaat dat de drukdoos raakt.

Maar er is een grote tweede piek, een halve milliseconde later,

en ik wist niet wat het was.

Nu zou je een tweede piek verwachten om andere redenen,

maar niet een halve milliseconde later.

Nogmaals, terug naar die hoge-snelheidscamera's.

Er is een goede hint van wat er wellicht gebeurt.

Hier is hetzelfde blikveld dat we eerder zagen.

Daar is dat roof-aanhangsel -- daar is de hiel,

en het gaat rondzwiepen en tegen de drukdoos slaan.

Als jullie nou je blik hierop gericht willen houden,

op het oppervlak van de drukdoos, terwijl het ledemaat zwiept.

Ik hoop dat jullie nu een lichtflits kunnen zien.

Publiek: Wauw.

Sheila Patek: En als we dat ene beeld nemen, kun je aan het eind

van die gele pijl een luchtbel zien.

Dat is cavitatie.

Cavitatie is een extreem potent vloeistof-dynamisch fenomeen

dat optreedt als je watervolumes hebt

die op extreem verschillende snelheden bewegen.

Als dat gebeurt, kan dat gebieden met zeer lage druk veroorzaken,

met letterlijk verdampend water als gevolg.

Als die dampbel implodeert, veroorzaakt dat geluid, licht en hitte.

Het is een zeer destructief proces.

Hier is het in de stomatopoda. En alweer is dit iets

waarmee ingenieurs zeer bekend zijn,

want het verwoest scheepsschroeven.

Mensen hebben jarenlang getracht om een

snel roterende scheepsschroef te ontwerpen, die niet caviteert

en zo letterlijk het metaal wegslijt

tot er gaten zijn, zoals je hier ziet.

Dus dit is een brute kracht in vloeistofsystemen, en om een stap verder te gaan,

laat ik je zien hoe de kreeft de slak benadert.

Deze opname is gemaakt met 20.000 beelden per seconde,

dankzij de BBC-cameraman, Tim Green, die de opname voorbereidde,

want ik had dit zelf nooit klaargespeeld --

één van de voordelen van het werken met professionele cameramensen.

Je ziet de inslag en een ongelofelijke lichtflits,

en al die cavitatie verspreidt zich over het oppervlak van de slak.

Dus echt een verbazingwekkend beeld,

zeer extreem vertraagd.

Nog eens, hier zie je het in een lichtelijk andere vorm,

met de bel die zich vormt en implodeert tussen die twee oppervlakken.

Je kon zelfs wat cavitatie langs het ledemaat zien kruipen.

Om die kwestie van de twee krachtpieken op te lossen:

ik denk dat de eerste impact het ledemaat is

dat de drukdoos raakt, en de tweede impact is

het imploderen van de cavitatie-bel.

Deze dieren maken wellicht gebruik van zowel

de kracht en energie die opgeslagen wordt met die speciale veer,

alsook de extremen van de vloeistofdynamiek, die wellicht

gebruikt wordt als een tweede kracht voor het openbreken van de slak.

Twee voor de prijs van één, zogezegd, voor deze dieren.

Eén vraag die ik vaak krijg na deze talk is,

wat gebeurt er met het dier?

Want uiteraard, als hij slakken openbreekt

moet dat arme ledemaat toch uiteenvallen. En dat doet het.

Dat is het hamergedeelte van de hiel op beide beelden,

en het slijt weg. Ik heb ze hun hiel zien

wegslijten tot op het vlees.

Maar één van de handige dingen als je geleedpotige bent,

is dat je moet vervellen. En iedere drie maanden of zo,

bouwen deze dieren een nieuw ledemaat. Het is geen probleem.

Zeer handige oplossing voor dat probleem.

Ik wil eindigen op een enigszins maffe noot.

(Gelach)

Misschien is dit allemaal maf voor mensen als jullie...

(Gelach)

De zadels -- die zadelvormige veer --

was feitelijk al geruime tijd bekend bij biologen,

niet als veer maar als visueel signaal.

En er is een spectaculaire rode stip

in het midden van de zadels van vele soorten stomatopoda.

Dat is best interessant, om evolutionaire oorsprongen

van visuele signalen te zien, op wat bij alle soorten hun veer is.

Ik denk dat een verklaring hiervoor

in het vervellen zou kunnen schuilen.

Deze dieren gaan dus door een vervellingperiode

waarin ze niet kunnen slaan -- hun lichamen zijn dan zacht.

Ze kunnen niet toeslaan, anders gaan ze er letterlijk zelf aan.

Een serieus probleem... Hun oplossing: in de periode

vóórdat ze niet kunnen slaan, gedragen ze zich vreselijk

agressief en slaan naar alles in hun buurt, wat het ook is.

En zodra ze niet meer kunnen toeslaan,

geven ze enkel signalen. Ze zwaaien met hun benen.

Dit is een van de klassieke voorbeelden van bluf in dierengedrag.

Het is een vaststaand feit dat deze dieren

daadwerkelijk bluffen. Ze kunnen niet meer meppen, maar doen alsof.

En ik ben dus heel nieuwsgierig of die gekleurde stippen

in het midden van de zadels informatie overdragen

over hun slagvaardigheid, of hun slagkracht,

en iets over het tijdstip in de vervellingscyclus.

Een interessant, vreemd feit dus, om een visuele structuur

in het midden van hun veer te vinden.

Ter afsluiting wil ik vooral mijn twee medewerkers even noemen:

Wyatt Korf en Roy Caldwell, die nauw met me samenwerkten hieraan.

Ook het Miller Institute for Basic Research in Science,

dat me drie jaar financierde om enkel wetenschap te bedrijven,

en daarvoor ben ik erg dankbaar. Mijn hartelijke dank.

(Applaus)