Gekon razkriva moč Spidermana

Ko opazujemo gekona, kako dirja po stenah navzgor in navzdol s hitrostjo kakšnega metra na sekundo, se nam zdi, kot bi imel kakšne super moči, s katerim kljubuje zakonom fizike. Z lahkoto pleza po vseh vrstah površine in se na njih obdrži tudi z enim prstom. Le kako mu to uspe?

To čudo evolucije je v 4. stoletju pred našim štetjem opazil že grški filozof Aristotel, seveda pa ni pustila ravnodušnih niti današnjih raziskovalcev.

Ta njegova sposobnost lepljenja na površine seveda ne more biti v nasprotju s fizikalnimi zakoni, ki pa jih je bilo potrebno odkriti. Vse do leta 2002 so strokovnjaki gekonovo spodobnost oprijema pripisovali kapilarnim silam med podlago in dlačicami na njegovih stopalih, dokler niso v raziskavi pokazali, da ta ni mogoča na vseh površinah, po katerih se lahko gekon giblje. Ta teorija je bila zato opuščena. Z nadaljnjimi raziskavami, pri katerih so si pomagali z elektronsko mikroskopijo, pa so dokazali, da so za ta pojav suhega oprijema “krive” t. i. Van der Waalsove sile, ki delujejo med gekonovimi dlačicami in površino. Raziskave so še pokazale, da gekon (vrste tokej) pri oprijemanju uporablja samo 3 % dlačic, kar je precej razumljivo. Vse njegove dlačice namreč ne morejo sodelovati hkrati, saj se ne morejo vse hkrati usmeriti enako, poleg tega pa pri hrapavi površini niti ne pridejo v stik vse dlačice enakomerno. Sile oprijema teh dlačic pa so dovolj velike, da že tako majhen odstotek dlačic gekonu omogoči trden oprijem. Vendar gekonu še kako pridejo prav tudi preostale “odvečne” dlačice, ki jih večinoma ne uporablja, in sicer ob močnih tropskih viharjih, pri obrambi pred plenilci in ob morebitnih padcih, pri katerih se ujame za listje ali veje. Oprijem, ki ga gekon ustvari s podlago, je neposreden, ne pušča lepljivih sledi in deluje na vsaki površini (tudi v vakuumu ali pod vodo).

Mehanizem oprijema na stopalih

Posebnost gekonov je v nenavadnem naravnem mehanizmu, ki so ga razvili. Evolucija je namreč njihova stopala oblikovala tako, da imajo na njih milijone suhih oprijemnih dlačic, ki jim omogočajo gibanje po skoraj vsaki površini. To je eden najbolj učinkovitih in okretnih mehanizmov oprijemanja podlage, ki omogoča premikanje po navpičnih in gladkih površinah v vse smeri. Vsaka dlačica na stopalu najbolj raziskanega gekona tokej je dolga približno 110 µm in debela 4,2 µm, konica pa meri v dolžino približno 200 µm (enako je tudi debela) (je torej krajša od valovne dolžine vidne svetlobe). Sile, ki omogočajo ta mehanizem oprijema, se imenujejo Van der Waalsove sile, ki gekonu omogočajo, da se na steni lahko obdrži že z enim samim prstom. Vendar pa so te sile zelo majhne. Kako to, da gekona obdržijo na površini, človek pa se s svojo dlanjo nanjo ne prilepi? Ključno vlogo odigrajo ravno dlačice, ki so tako goste in tako tanke, da je njihova skupna stična površina izredno velika, med tem pa ko se naša dlan, pritisnjena na površino stene, z njo dejansko dotika le na nekaj mestih.

Van Der Waalsove vezi med molekulaami

Van der Waalsove vezi so šibke privlačne sile med molekulami, ki jih povzročata neenakomerna razporeditev in gibanje elektronov v atomih molekul. Ločimo tri vrste Van der Waalsovih vezi: orientacijske, indukcijske in disperzijske, celotna Van der Waalsova vez pa je seštevek prispevkov vseh treh vrst vezi. Da bi si te zakone lažje razložili, stvar poenostavimo in si predstavljajmo samo eno dlačico, pritisnjeno ob steno. Seveda je na koncu te dlačice več atomov, a za lažjo predstavo vzemimo samo en atom na konici te dlačice, ki postane polariziran (npr. pozitivni naboj se približa steni) in zato privlači elektron (negativni naboj) najbližjega atoma na steni. Tako med tem pozitivnim in negativnim nabojem nastane privlačna sila med atomi. Ker se ti elektroni na koncu dlačic neprestano gibljejo in jih je na tisoče, tako ves čas vzpostavljajo to privlačno silo. Privlačna sila, ki deluje med posamezno gekonovo dlačico in steno, je po izračunih približno 20 µN (po meritvah 40 µN [prof. Kellar]) in ker vemo, da imajo vsa štiri gekonova stopala skupaj približno 6,5 milijona dlačic, to pomeni, da je lahko njihova skupna privlačna sila do 130 N (ki lahko zadrži  maso približno 13 kg). Največja sila, s katero bi se na primer 300-gramski gekon lahko držal na steni, je tako 43-krat večja od njegove teže, kar pomeni, da bi se bil gekon sposoben na steni obdržati tudi z enim samim prstom.

Kako sprostiti ta močan oprijem?

Gekon pa se z lahkoto od stene tudi odlepi in to v pičlih 15 ms. Ko premakne nogo, se namreč poveča razdalja med dlačicami in steno, pri čemer popustijo šibke Van der Waalsove sile med molekulami. Toda odlepiti vse dlačice na naenkrat je pretežko, ker je seštevek vseh sil velik. Toda posamezna dlačica navsezadnje k temu seštevku le malo prispeva,  zato se naloga bistveno poenostavi, če dlačice odleplja postopoma. Za to gekon uporablja dva mehanizma, ki ošibita sile oprijema. Eden teh mehanizmov je podoben kot pri odlepljanju lepilnega traka. Gekon se namreč premika tako, da zaviha stopala – jih postopoma dviguje od konic prstov proti sredini stopala in tako razceplja sile. Drugi mehanizem, ki so ga opazili znanstveniki, pa je, da se s povečanjem kota nad 30 stopinj med površino podlage in dlačico sile razcepijo in stopalo se odlepi. Pri povečanju tega kota se povečuje tudi odtržna napetost na robu konice dlačice, kar pretrga privlačne sile med molekulami.

Nadaljnje raziskave

Bolj ko so izpopolnjene merilne naprave in večji ko je razmah znanosti,  bolj nam narava razkriva svoje zmožnosti, svoje neverjetno iznajdljive mehanizme, ki jih je razvila za prilagoditev življenjskim razmeram na Zemlji. In ker bi poznavanje teh sil človeku omogočilo, do sedaj neslutene zmožnosti, se seveda raziskave v tej smeri še niso končale, čemur pričajo dolgi seznami člankov, objavljenih na to temo. Preučevanje gekonovega mehanizma oprijema zahteva povezovanje različnih znanstvenih področij, od biologije in biomehanike pa vse do kvantne mehanike. Ker pa narave ni vedno mogoče posnemati z umetnimi materiali, je najbrž plezanje po stropu za človeka še precej daleč, vendar se s temi odkritji človeštvo približuje odkrivanju novih možnosti, ki bi človeku pomagale predvsem v medicini, tehniki in športu.