Wenn Sie lernen möchten wie sie mit einem Hummer spielen können, wir haben welche hier. Das ist kein Spaß, wir haben tatsächlich welche hier. Also kommen Sie anschließend herauf und ich werde Ihnen zeigen, wie Sie mit einem Hummer spielen können.
If you'd like to learn how to play the lobster, we have some here. And that's not a joke, we really do. So come up afterwards and I'll show you how to play a lobster.
Nun, eigentlich fing ich vor einigen Jahren an, etwas namens Fangschreckenkrebs zu studieren, denn sie produzieren Klang. Dies ist eine Tonbandaufnahme die ich von einem Fangschreckenkrebs machte, der vor der Küste Kaliforniens vorkommt. Und während das ein absolut faszinierender Klang ist, entpuppt sich das als ein sehr schwieriges Unterfangen. Während ich damit kämpfte herauszufinden wie und warum Fangschreckenkrebse, oder Stomatopoden Geräusche machen, begann ich über ihre Gliedmaßen nachzudenken. Fangschreckenkrebse werden (im englischen) nach der Gottesanbeterin (engl.: Mantis) "Mantis Shrimp" benannt, die ebenfalls schnelle Gliedmaßen zur Nahrungsaufnahme besitzt. So begann ich zu überlegen, na ja, vielleicht wird es interessant sein, während ich ihren Geräuschen zuhöre, herauszufinden, wie diese Tiere jene sehr schnelle Schläge zur Nahrungsaufnahme erzeugen. Daher werde ich heute über den extremen Schlagvorgang bei Stomatopoden sprechen, eine Arbeit die ich zusammen mit Wyatt Korff und Roy Caldwell erstellte.
So, actually, I started working on what's called the mantis shrimp a few years ago because they make sound. This is a recording I made of a mantis shrimp that's found off the coast of California. And while that's an absolutely fascinating sound, it actually turns out to be a very difficult project. And while I was struggling to figure out how and why mantis shrimp, or stomatopods, make sound, I started to think about their appendages. And mantis shrimp are called "mantis shrimp" after the praying mantises, which also have a fast feeding appendage. And I started to think, well, maybe it will be interesting, while listening to their sounds, to figure out how these animals generate very fast feeding strikes. And so today I'll talk about the extreme stomatopod strike, work that I've done in collaboration with Wyatt Korff and Roy Caldwell.
Nun, Fangschreckenkrebse kommen in zwei Varianten vor: es gibt Speerer und Schmetterer. Das hier ist ein Speerer-Fangschreckenkrebs, oder Stomatopod. Er lebt im Sand und fängt Dinge, die über seinem Kopf vorbeiwandern. Ein schneller Schlag wie dieser hier. Wenn wir das etwas verlangsamen, das ist der Fangschreckenkrebs - die gleiche Spezies - aufgenommen bei 1000 Einzelbildern pro Sekunde, abgespielt bei 15 Einzelbildern pro Sekunde. Und wie Sie sehen können ist das einfach eine wirklich spektakuäre Streckung der Gliledmaßen, nach oben explodierend, eigentlich nur um ein totes Stückchen Garnele zu fangen, das ich ihm anbot. Nun, die andere Art des Fangschreckenkrebses ist der Schmetterer-Stomatopod, und diese Jungs öffnen Schnecken hauptberuflich. Und so legt sich dieser Kerl die Schnecke zurecht und versetzt ihr einen ordentlichen Schlag.
So, mantis shrimp come in two varieties: there are spearers and smashers. And this is a spearing mantis shrimp, or stomatopod. And he lives in the sand, and he catches things that go by overhead. So, a quick strike like that. And if we slow it down a bit, this is the mantis shrimp -- the same species -- recorded at 1,000 frames a second, played back at 15 frames per second. And you can see it's just a really spectacular extension of the limbs, exploding upward to actually just catch a dead piece of shrimp that I had offered it. Now, the other type of mantis shrimp is the smasher stomatopod, and these guys open up snails for a living. And so this guy gets the snail all set up and gives it a good whack.
(Gelächter)
(Laughter)
Ich werde Ihnen das noch einmal vorspielen. Er schubst sie in die richtige Position, stupst sie mit seiner Nase an und schlägt zu. Ein paar Schläge später ist die Schnecke aufgebrochen und er hat ein leckeres Abendessen. Nun, die Fangarme des Schmetterers können mit einem Punkt am Ende zustechen, oder sie können mit der Ferse zuschlagen. Und heute werde ich über den zuschlagenden Typ des Stoßes sprechen.
So, I'll play it one more time. He wiggles it in place, tugs it with his nose, and smash. And a few smashes later, the snail is broken open, and he's got a good dinner. So, the smasher raptorial appendage can stab with a point at the end, or it can smash with the heel. And today I'll talk about the smashing type of strike.
Nun war die erste Frage die mir in den Sinn kam, na ja, wie schnell bewegt sich sein Schenkel? Denn in dem Film bewegt er sich ziemlich verflixt schnell. Und ich stieß sofort auf ein Problem. Keine Hochgeschwindigkeitskamera des Fachbereichs Biologie in Berkley war schnell genug, diese Bewegung einzufangen. Wir konnten es schlicht nicht auf Film festhalten. Deswegen hat mich das recht lang aufgehalten. Nun, eines Tages kam eine BBC Reportergruppe durch die Biologische Fakultät spaziert und schaute sich nach einer Geschichte über neue Technologien in der Biologie um. Also haben wir eine Vereinbarung getroffen. Ich sagte: "Nun, wenn ihr mir eine Hochgeschwindigkeitskamera leiht, die diese Bewegungen erfassen kann, dann dürft ihr uns beim Datensammeln filmen." Und ob Sie es glauben oder nicht, sie ließen sich darauf ein. So erhielten wir jene sagenhafte Hochgeschwindighkeitskamera. Dies ist eine sehr neue Technologie - sie ist erst seit etwa einem Jahr auf dem Markt erhältlich - und erlaubt es, extrem hohe Geschwindigkeiten bei geringer Helligkeit zu filmen. Geringe Helligkeit ist ein kritisches Thema bei Dreharbeiten mit Tieren, denn falls das Licht zu stark ist, brät man sie.
And so the first question that came to mind was, well, how fast does this limb move? Because it's moving pretty darn fast on that video. And I immediately came upon a problem. Every single high-speed video system in the biology department at Berkeley wasn't fast enough to catch this movement. We simply couldn't capture it on video. And so this had me stymied for quite a long period of time. And then a BBC crew came cruising through the biology department, looking for a story to do about new technologies in biology. And so we struck up a deal. I said, "Well, if you guys rent the high-speed video system that could capture these movements, you guys can film us collecting the data." And believe it or not, they went for it. (Laughter) So we got this incredible video system. It's very new technology -- it just came out about a year ago -- that allows you to film at extremely high speeds in low light. And low light is a critical issue with filming animals, because if it's too high, you fry them. (Laughter)
Dies ist ein Fangschreckenkrebs. Hier oben sind die Augen, und hier ist der Fangarm, und hier ist die Ferse. Und dieses Ding wird herumschwingen und die Schnecke zerschlagen. Die Schnecke ist an einen Stock gebunden, damit es etwas einfacher ist, den Schlagvorgang einzurichten. Und -- ja.
So this is a mantis shrimp. There are the eyes up here, and there's that raptorial appendage, and there's the heel. And that thing's going to swing around and smash the snail. And the snail's wired to a stick, so he's a little bit easier to set up the shot. And -- yeah.
(Gelächter)
(Laughter)
Ich hoffe, es sind keine Schneckenaktivisten anwesend.
I hope there aren't any snail rights activists around here.
(Gelächter)
(Laughter)
Dies wurde mit 5.000 Bildern pro Sekunde gefilmt, und ich spiele es gerade bei 15 ab. Es ist also 333 fach verlangsamt. Und wie Sie sehen werden, dass es ist immer noch ziemlich verflixt schnell ist. 333 fach verlangsamt. Es ist ein unglaublich kraftvoller Bewegungsablauf. Die gesamte Extremität kommt nach vorn, der Körper beugt sich nach hinten - einfach eine spektakuläre Bewegung. Also, wir schauten uns diese Filme an und ermittelten wie schnell sich das Bein bewegte, um zur ursprünglichen Fragestellung zurückzukehren. Wir erfuhren die erste Überraschung. Was wir also errechneten war, dass die Glieder sich mit einer Spitzengeschwindigkeit zwischen 10 Meter pro Sekunde bis hin zu 23 Meter pro Sekunde bewegen. Für diejenigen unter euch, die Meilen pro Stunde bevorzugen, das sind über 45 Meilen pro Stunde in Wasser. Und das ist wirklich verflixt schnell. Und zwar ist es derat schnell, dass wir einen neuen Eintrag auf der Skala der extremen Bewegungen des Tierreichs hinzufügen konnten. Nun haben Fangschreckenkrebse offiziell die schnellste gemessene Schlaggeschwindigkeit zur Nahrungsaufnahme aller tierischen Systeme. Soviel zur ersten Überraschung.
So this was filmed at 5,000 frames per second, and I'm playing it back at 15. And so this is slowed down 333 times. And as you'll notice, it's still pretty gosh darn fast slowed down 333 times. It's an incredibly powerful movement. The whole limb extends out. The body flexes backwards -- just a spectacular movement. And so what we did is, we took a look at these videos, and we measured how fast the limb was moving to get back to that original question. And we were in for our first surprise. So what we calculated was that the limbs were moving at the peak speed ranging from 10 meters per second all the way up to 23 meters per second. And for those of you who prefer miles per hour, that's over 45 miles per hour in water. And this is really darn fast. In fact, it's so fast we were able to add a new point on the extreme animal movement spectrum. And mantis shrimp are officially the fastest measured feeding strike of any animal system. So our first surprise.
(Applaus)
(Applause)
Also das war ziemlich cool und sehr unerwartet. Also, Sie fragen sich vielleicht, na ja, wie machen die das? Und tatsächlich zeigt diese Arbeit aus den 1960ern, von einem berühmten Biologen namens Malcolm Burrows, dass die Fangschreckenkrebse etwas verwenden, was man einen Schnappmechanismus, oder Klickmechanismus nennt. Und dieser besteht im Wesentlichen aus einem großen Muskel, der einge recht lange Zeit benötigt um zu kontrahieren und einer Verriegelung, die alles vom Bewegen hindert. Der Muskel kontrahiert also und nichts passiert. Und sobald der Muskel vollständig kontrahiert ist, alles in sich speichernd -- fliegt die Verriegelung nach oben und die Bewegung ist da. Das ist im Grunde was man ein leistungsverstärkendes System nennt. Der Muskel braucht eine lange Zeit für die Kontraktion und das Glied eine sehr kurze Zeit herauszufliegen. Nun dachte ich, dass dies schon das Ende der Geschichte war. Dies ist wie Fangschreckenkrebse jene sehr schnellen Schläge ausführen.
So that was really cool and very unexpected. So, you might be wondering, well, how do they do it? And actually, this work was done in the 1960s by a famous biologist named Malcolm Burrows. And what he showed in mantis shrimp is that they use what's called a "catch mechanism," or "click mechanism." And what this basically consists of is a large muscle that takes a good long time to contract, and a latch that prevents anything from moving. So the muscle contracts, and nothing happens. And once the muscle's contracted completely, everything's stored up -- the latch flies upward, and you've got the movement. And that's basically what's called a "power amplification system." It takes a long time for the muscle to contract, and a very short time for the limb to fly out. And so I thought that this was sort of the end of the story. This was how mantis shrimps make these very fast strikes.
Aber dann unternahm ich einen Ausflug in das National Museum of Natural History. Und falls einer von Ihnen jemals die Gelegenheit hat, hinter den Kulissen des National Museum of Natural History, ist eine der weltbesten Sammlungen von konservierten Fangschreckenkrebsen. Und was --
But then I took a trip to the National Museum of Natural History. And if any of you ever have a chance, backstage of the National Museum of Natural History is one of the world's best collections of preserved mantis shrimp. And what --
(Gelächter)
(Laughter)
das ist eine ernste Angelegenheit für mich.
this is serious business for me.
(Gelächter)
(Laughter)
Nun, das -- was ich auf jedem einezelnen Schenkel eines Fangschreckenkrebses fand, egal ob "Schmetterer" und "Speerer", war eine schöne sattelförmige Struktur genau auf der oberen Fläche des Schenkels. Und das können Sie hier sehen. Es sieht aus wie ein Sattel, den man einem Pferd aufzäumt. Es ist eine sehr schöne Struktur. Sie ist umgeben von membranartigen Gebieten. Diese membranartigen Gebiete erschienen mir wie als wären sie möglicherweise eine Art dynamisch flexible Struktur. Das hat mich für eine Weile wirklich irgendwie ratlos gemacht. Und dann machten wir eine Reihe von Berechnungen und was wir zeigen konnten war, dass diese Fangschreckenkrebse eine Feder besitzen müssen. Es musste irgend eine Art Sprungfedermechanismus geben, um die beobachtete Menge an Kraft zu erzeugen und die Geschwindigkeit, die wir beobachten und die Ausgangsgrößen des Systems. Wir dachten nun, OK, das muss eine Sprungfeder sein - Der Sattel könnte gut als Sprungfeder dienen. Nun schauten wir uns wieder diese Hochgeschindigkeitsfilme an, und konnten tatsächlich eine Komprimierung und Expansion des Sattels visualisieren. Und ich werde das gerade noch einmal machen. Wenn Sie sich den Film anschauen -- es ist etwas schwer zu erkennen -- es ist in Gelb dargestellt. Der Sattel ist in Gelb dargestellt. Sie können es tatsächlich sehen. er expandiert während des Stoßes und überexpandiert sogar. Nun hatten wir sehr greifbare Beweise die zeigten, dass diese sattelförmige Struktur tatsächlich komprimiert und expandiert und in der Tat als Sprungfeder agiert.
So, this -- what I saw, on every single mantis shrimp limb, whether it's a spearer or a smasher, is a beautiful saddle-shaped structure right on the top surface of the limb. And you can see it right here. It just looks like a saddle you'd put on a horse. It's a very beautiful structure. And it's surrounded by membranous areas. And those membranous areas suggested to me that maybe this is some kind of dynamically flexible structure. And this really sort of had me scratching my head for a while. And then we did a series of calculations, and what we were able to show is that these mantis shrimp have to have a spring. There needs to be some kind of spring-loaded mechanism in order to generate the amount of force that we observe, and the speed that we observe, and the output of the system. So we thought, OK, this must be a spring -- the saddle could very well be a spring. And we went back to those high-speed videos again, and we could actually visualize the saddle compressing and extending. And I'll just do that one more time. And then if you take a look at the video -- it's a little bit hard to see -- it's outlined in yellow. The saddle is outlined in yellow. You can actually see it extending over the course of the strike, and actually hyperextending. So, we've had very solid evidence showing that that saddle-shaped structure actually compresses and extends, and does, in fact, function as a spring.
Die sattelförmige Struktur ist auch bekannt als ein hyperbolisches Paraboloid, oder als antiklastische Oberfläche. Und diese ist Ingenieuren und Architekten sehr gut bekannt, da diese Form sehr widerstandsfähig gegenüber Kompression ist. Sie ist in zwei Richtungen gekrümmt, eine aufsteigende Kurve und querverlaufend gegenüber zu ihr eine abfallende, so dass jeglicher Störeinfluss die Kräfte über Oberflächen dieser Form verteilt. Sehr bekannt bei Ingenieuren also, nicht ganz so bekannt bei Biologen. Dies ist auch einigen Leuten bekannt, die Schmuck herstellen, weil es sehr wenig Materialaufwand erfordert, diese Art von Oberfläche zu bauen und sie ist zudem sehr fest. Wenn Sie also eine dünne Goldstruktur bauen möchten, dann ist es sehr nett, diese in einer widerstandsfähigen Form zu haben.
The saddle-shaped structure is also known as a "hyperbolic paraboloid surface," or an "anticlastic surface." And this is very well known to engineers and architects, because it's a very strong surface in compression. It has curves in two directions, one curve upward and opposite transverse curve down the other, so any kind of perturbation spreads the forces over the surface of this type of shape. So it's very well known to engineers, not as well known to biologists. It's also known to quite a few people who make jewelry, because it requires very little material to build this type of surface, and it's very strong. So if you're going to build a thin gold structure, it's very nice to have it in a shape that's strong.
Nun, auch Architekten ist dies bekannt. Einer der berühmtesten Architekten ist Eduardo Catalano, der diese Struktur populär machte. Was hier gezeigt wird ist ein sattelförmiges Dach, das er gebaut hat. das sind 87½ Fuß Spannweite. Es ist 2½ Inch dick und an zwei Punkten gestützt. Und einer der Gründe warum er Dächer dieser Art entworfen hat ist, weil es -- er fand es faszinnierend, dass man eine derart feste Struktur bauen kann, aus so wenig Material und mit so wenigen Stützpunkten. Und all das sind die gleichen Prinzipien, die für die sattelförmige Feder bei Stomatopoden gelten. Bei biologischen Systemen ist es wichtig, nicht zu allzu viel überflüssiges Material zu verbauen. Sehr interessante Parallelen also zwischen der biologischen und der ingenieurtechnischen Welt. Der stomatopod'sche Sattel erweist sich als die erste beschriebene biologische hyperbolische Parabolidfeder. Das ist ein bisschen lang, aber es ist irgendwie interessant.
Now, it's also known to architects. One of the most famous architects is Eduardo Catalano, who popularized this structure. And what's shown here is a saddle-shaped roof that he built that's 87 and a half feet spanwise. It's two and a half inches thick, and supported at two points. And one of the reasons why he designed roofs this way is because it's -- he found it fascinating that you could build such a strong structure that's made of so few materials and can be supported by so few points. And all of these are the same principles that apply to the saddle-shaped spring in stomatopods. In biological systems it's important not to have a whole lot of extra material requirements for building it. So, very interesting parallels between the biological and the engineering worlds. And interestingly, this turns out -- the stomatopod saddle turns out to be the first described biological hyperbolic paraboloid spring. That's a bit long, but it is sort of interesting.
Die nächste und letzte Frage war also, na ja, wie viel Kraft erzeugt ein Fanschreckenkrebs, wenn er in der Lage ist Schnecken aufzubrechen? Also verkabelte ich etwas, dass sich Wägezelle nennt. Eine Wägezelle misst Kräfte und das ist eigentlich eine piezoelektrische Wägezelle mit einem Kristall im Inneren. Wenn der Kristall gequetscht wird, ändert sich das elektrische Feld und es - welches -- im Verhältnis zu der eingehenden Kraft. Diese Tiere sind also wunderbar aggressiv und ständig hungrig. Alles was ich daher tun musste, war im Grunde etwas Garnelenpaste auf die Vorderseite der Wägezelle zu tun und sie schlagen das weg. Das ist also ein gewöhnlicher Film von dem Tier, das wie wild auf die Wägezelle einschlägt. Und wir konnten so einige Kraftmessungen vornehmen. Und wieder gab es eine Überraschung.
So the next and final question was, well, how much force does a mantis shrimp produce if they're able to break open snails? And so I wired up what's called a load cell. A load cell measures forces, and this is actually a piezoelectronic load cell that has a little crystal in it. And when this crystal is squeezed, the electrical properties change and it -- which -- in proportion to the forces that go in. So these animals are wonderfully aggressive, and are really hungry all the time. And so all I had to do was actually put a little shrimp paste on the front of the load cell, and they'd smash away at it. And so this is just a regular video of the animal just smashing the heck out of this load cell. And we were able to get some force measurements out. And again, we were in for a surprise.
Ich kaufte eine 100 Pfund Wägezelle im Glauben, dass kein Tier dieser Größe mehr als 100 Pfund erzeugen kann. Und bevor wir uns versahen, überlasteten sie die Wägezelle augenblicklich. Das ist also eigentlich ein alter Datensatz, bei dem ich die kleinsten Tiere im Labor finden musste und wir konnten Kraftmessungen von weit über 100 Pfund tätigen, erzeugt von einem Tier etwa dieser Größe. Und nun habe ich letzte Woche erst eine 300 Pfund Wägezelle bekommen, installiert, und diese Tiere dabei gemessen wie sie weit über 200 Pfund Kraft erzeugen. Und wieder denke ich, dass dies ein Weltrekord sein wird. Ich muss ein bisschen mehr Literatur recherchieren, jedoch glaube ich, dass dies der größte Betrag erzeugter Kraft ist, durch ein Tier einer bestimmten -- pro Körpermasse. Also, in der Tat unglaubliche Kräfte. Und wieder bringt uns das zurück zu der Bedeutung dieser Sprungfeder bei der Speicherung und Freisetzung von so viel Energie in diesem System. Aber das war nicht das Ende der Geschichte.
I purchased a 100-pound load cell, thinking, no animal could produce more than 100 pounds at this size of an animal. And what do you know? They immediately overloaded the load cell. So these are actually some old data where I had to find the smallest animals in the lab, and we were able to measure forces of well over 100 pounds generated by an animal about this big. And actually, just last week I got a 300-pound load cell up and running, and I've clocked these animals generating well over 200 pounds of force. And again, I think this will be a world record. I have to do a little bit more background reading, but I think this will be the largest amount of force produced by an animal of a given -- per body mass. So, really incredible forces. And again, that brings us back to the importance of that spring in storing up and releasing so much energy in this system. But that was not the end of the story.
Nun, die Sache ist -- ich lasse das hier sehr einfach erscheinen, das ist jedoch eine Menge Arbeit. Ich hatte nun alle diese Kraftmessungen und dann ging ich her und betrachtete die Kraftausgangsgröße des Systems. Das ist nun sehr einfach -- die Zeit ist auf der x-Achse und die Kraft ist auf der y-Achse. Und sie können zwei Spitzen erkennen. Und das ist, was mich wirklich verblüffte. Die erste Spitze ist offensichtlich das Bein, das auf die Wägezelle trifft. Aber es gibt eine wirklich große zweite Spitze eine halbe Millisekunde später und ich hatte keine Ahnung, woher die stammte. Nun, man könnte eine zweite Spitze aus unterschiedlichen Gründen erwarten, aber nicht eine halbe Millisekunde später. Um wieder auf die Hochgeschwindigkeitsvideos zurück zu kommen, hier gibt es einen ziemlich guten Hinweis über das, was vor sich gehen könnte. Das hier ist die gleiche Anordnung, die wir zuvor gesehen haben Das hier ist der Fangarm -- hier ist die Ferse, und das wird herumschwingen und auf die Wägezelle treffen. Und was ich Sie während dieses Filmes zu tun bitte, ist Ihre Augen auf das zu lenken, auf die Oberfläche der Wägezelle, während der Schenkel durchgeflogen kommt. Und was ich erhoffe ist, dass Sie tatsächlich einen Lichtblitz erkennen können.
Now, things -- I'm making this sound very easy, this is actually a lot of work. And I got all these force measurements, and then I went and looked at the force output of the system. And this is just very simple -- time is on the X-axis and the force is on the Y-axis. And you can see two peaks. And that was what really got me puzzled. The first peak, obviously, is the limb hitting the load cell. But there's a really large second peak half a millisecond later, and I didn't know what that was. So now, you'd expect a second peak for other reasons, but not half a millisecond later. Again, going back to those high-speed videos, there's a pretty good hint of what might be going on. Here's that same orientation that we saw earlier. There's that raptorial appendage -- there's the heel, and it's going to swing around and hit the load cell. And what I'd like you to do in this shot is keep your eye on this, on the surface of the load cell, as the limb comes flying through. And I hope what you are able to see is actually a flash of light.
Publikum: Wow.
Audience: Wow.
Sheila Patek: Wenn wir nun dieses eine Einzelbild nehmen, kann man am Ende des gelben Pfeiles eine Dampfblase sehen. Und was dies zeigt, ist Kavitation. Nun, Kavitation ist ein äußerst wirksames fluidmechanisches Phänomen, das auftritt, wenn Sie Bereiche haben von Wasser, die sich mit extrem unterschiedlichen Geschwindigkeiten bewegen. Und wenn dies eintritt, kann es zu Gebieten sehr geringen Drucks führen, was in einer buchstäblichen Verdampfung von Wasser resultiert. Und wenn diese Dampfblase kollabiert, emitiert sie Schall, Licht und Wärme, und das ist ein sehr zerstörerischer Prozess. Und so verhält sich das bei den Stomatopoden. Und es ist wieder so, dass Ingenieure dieses Phänomen sehr gut kennen. Denn es zerstört Schiffsschrauben. Einige Menschen kämpfen bereits viele Jahre damit und versuchen, sehr schnell rotierende Schiffsschrauben so zu gestalten, dass diese nicht kavitieren und an diesen im wahrsten Sinne des Wortes das Metall nicht abgetragen und perforiert wird, so wie diese Bilder das zeigen.
Sheila Patek: And so if we just take that one frame, what you can actually see there at the end of that yellow arrow is a vapor bubble. And what that is, is cavitation. And cavitation is an extremely potent fluid dynamic phenomenon which occurs when you have areas of water moving at extremely different speeds. And when this happens, it can cause areas of very low pressure, which results in the water literally vaporizing. And when that vapor bubble collapses, it emits sound, light and heat, and it's a very destructive process. And so here it is in the stomatopod. And again, this is a situation where engineers are very familiar with this phenomenon, because it destroys boat propellers. People have been struggling for years to try and design a very fast rotating boat propeller that doesn't cavitate and literally wear away the metal and put holes in it, just like these pictures show.
Das ist also eine starke Kraft in flüssigen Phasen und um das jetzt einen Schritt weiter zu führen, werde ich Ihnen den Fangschreckenkrebs bei der Annäherung an die Schnecke zeigen. Dies wurde bei etwa 20.000 Einzelbildern pro Sekunde gefilmt, und ich muss dem BBC Kameramann, Tim Green, die ganze Anerkennung für diese Aufnahme zollen, denn ich hätte dies nicht in Millionen von Jahren hinbekommen. Einer der Vorzüge der Arbeit mit professionellen Kameraleuten. Sie sehen wie es eintrifft und einen erstaunlichen Lichtblitz, und diese gesamte Kavitation verteilt sich über die Oberfläche der Schnecke. Wirklich, einfach ein erstaunliches Bild, extrem verlangsamt auf äußerst langsame Geschwindigkeiten. Und wiederum können wir das hier in leicht veränderter Form sehen, zusammen mit den sich bildenden und kollabierenden Blasen zwischen den zwei Oberflächen. Möglicherweise haben Sie vielleicht sogar etwas Kavitation an der Ecke des Schenkels heraufwandern sehen können.
So this is a potent force in fluid systems, and just to sort of take it one step further, I'm going to show you the mantis shrimp approaching the snail. This is taken at 20,000 frames per second, and I have to give full credit to the BBC cameraman, Tim Green, for setting this shot up, because I could never have done this in a million years -- one of the benefits of working with professional cameramen. You can see it coming in, and an incredible flash of light, and all this cavitation spreading over the surface of the snail. So really, just an amazing image, slowed down extremely, to extremely slow speeds. And again, we can see it in slightly different form there, with the bubble forming and collapsing between those two surfaces. In fact, you might have even seen some cavitation going up the edge of the limb.
Um also das Dilemma der zwei Kraftspitzen zu klären: ich vermute, was hier vor sich ging ist, dass der erste Einschlag tatsächlich der Schenkelauprall auf die Wägezelle, und der zweite Einschlag in der Tat der Zusammenbruch der Kavitationsblasen ist. Und diese Tiere können sehr wahrscheinlich Gebrauch machen, nicht nur von der Kraft und Energie, die in dieser speziellen Sprungfeder gespeichert ist, sondern auch von den extremen Eigenschaften der Strömungsmechanik. Sie könnten tatsächlich die Strömungsmechanik als zweite Kraft gebrauchen, um die Schnecke aufzubrechen. Also, ein wirklich faszinierender Doppelschlag von diesen Tieren, sozusagen.
So to solve this quandary of the two force peaks: what I think was going on is: that first impact is actually the limb hitting the load cell, and the second impact is actually the collapse of the cavitation bubble. And these animals may very well be making use of not only the force and the energy stored with that specialized spring, but the extremes of the fluid dynamics. And they might actually be making use of fluid dynamics as a second force for breaking the snail. So, really fascinating double whammy, so to speak, from these animals.
Nun, eine Frage bekomme ich nach diesem Vortrag oft gestellt - daher dachte ich mir, sie gleich jetzt zu beantworten: was geschieht mit dem Tier? Denn wenn es offensichtlich Schnecken knackt, muss sich der arme Schenkel auch zerlegen. Und das tut er, in der Tat. Das ist der schlagende Teil der Ferse auf diesen beiden Bildern und er wird abgetragen. Ich habe sogar gesehen, wie sie die Ferse bis zum Fleisch abnutzen. Aber eines der angenehmen Dinge, ein Gliederfüßer zu sein ist, dass man sich häuten muss. Und alle drei Monate etwa häuten sich diese Tiere, und sie bilden einen neuen Schenkel und es gibt kein Problem. Eine sehr, sehr bequeme Lösung für das spezielle Problem.
So, one question I often get after this talk -- so I figured I'd answer it now -- is, well, what happens to the animal? Because obviously, if it's breaking snails, the poor limb must be disintegrating. And indeed it does. That's the smashing part of the heel on both these images, and it gets worn away. In fact, I've seen them wear away their heel all the way to the flesh. But one of the convenient things about being an arthropod is that you have to molt. And every three months or so these animals molt, and they build a new limb and it's no problem. Very, very convenient solution to that particular problem.
Nun, ich möchte gerne mit einer etwas verwunderlichen Folgerung enden.
So, I'd like to end on sort of a wacky note.
(Gelächter)
(Laughter)
Vielleicht ist das alles verwunderlich für Menschen wie Sie, ich weiß es nicht.
Maybe this is all wacky to folks like you, I don't know.
(Gelächter)
(Laughter)
Also, der Sattel -- die sattelförmige Sprungfeder -- ist den Biologen eigentlich seit geraumer Zeit bekannt, nicht als Sprungfeder, sondern als ein optischer Reiz. Hier ist ein eigentlich spektakulär gefärbter Punkt im Mittelpunkt des Sattels bei vielen Arten von Stomatopoden. Und es ist recht interessant, evolutionäre Ursprünge von optischen Reizen in etwas zu finden, das, eigentlich bei allen Arten, die Sprungfeder darstellt. Und ich glaube eine Erklärung hierfür lässt sich finden, wenn man nochmals die Häutung in Betracht zieht.
So, the saddles -- that saddle-shaped spring -- has actually been well known to biologists for a long time, not as a spring but as a visual signal. And there's actually a spectacular colored dot in the center of the saddles of many species of stomatopods. And this is quite interesting, to find evolutionary origins of visual signals on what's really, in all species, their spring. And I think one explanation for this could be going back to the molting phenomenon.
Diese Tiere beginnen die Häutungsphase, in der sie schlagunfähig sind - ihre Körper werden sehr weich. Und sie sind buchstäblich schlagunfähig oder sie zerstören sich selbst. Das ist harte Realität. Nun bis zu dieser Phase, in der sie schlagunfähig sind, werden sie wahrhaft abscheulich und schlimm, und treten alles in Sichtweite, ganz egal wen oder was. In der Sekunde, in der sie in die schlagunfähige Phase eintreten, geben sie einfach nur Signale von sich. Sie winken mit den Beinen umher. Dies ist ein klassisches Beispiel von tierischem Täuschungsverhalten. Dies ist eine gut entwickelte Eigenschaft bei diesen Tieren, dass sie tatsächlich täuschen. Sie können eigentlich nicht zuschlagen, aber sie tun als ob. Daher war ich sehr neugierig, ob diese farbigen Punkte in der Mitte des Sattels irgend eine Art von Information beinhalten bezüglich ihrer Fähigkeit zu Schlagen, oder ihrer Schlagkraft und etwas über die Zeitspanne des Häutungszykluses. Also eine irgendwie interessante, seltsame Eigenschaft einer visuellen Struktur, direkt im Zentrum ihrer Sprungfeder.
So these animals go into a molting period where they're unable to strike -- their bodies become very soft. And they're literally unable to strike or they will self-destruct. This is for real. And what they do is, up until that time period when they can't strike, they become really obnoxious and awful, and they strike everything in sight; it doesn't matter who or what. And the second they get into that time point when they can't strike any more, they just signal. They wave their legs around. And it's one of the classic examples in animal behavior of bluffing. It's a well-established fact of these animals that they actually bluff. They can't actually strike, but they pretend to. And so I'm very curious about whether those colored dots in the center of the saddles are conveying some kind of information about their ability to strike, or their strike force, and something about the time period in the molting cycle. So sort of an interesting strange fact to find a visual structure right in the middle of their spring.
Abschließend möchte ich besonders meinen zwei Mitarbeitern Wyatt Korff und Roy Caldwell danken, die eng mit mir an dem gearbeitet haben. Und auch dem Miller Institute for Basic Research in Science, das mich drei Jahre dabei unterstützt hat, die ganze Zeit ausschließlich Forschung zu betreiben und dafür bin ich sehr dankbar. Vielen Dank.
So to conclude, I mostly want to acknowledge my two collaborators, Wyatt Korff and Roy Caldwell, who worked closely with me on this. And also the Miller Institute for Basic Research in Science, which gave me three years of funding to just do science all the time, and for that I'm very grateful. Thank you very much.
(Beifall)
(Applause)