Autor: Jan Toman
Na první pohled jsou medúzy jakýmsi primitivním pokusem mnohobuněčných živočichů o pohyblivé zástupce. Detailní studium jejich plavání ovšem ukazuje, že dosáhly vrcholné efektivity a mohou inspirovat i lidské inženýry.
Víte, co mají společného medúza a ekranoplán? Ne, to není začátek nějakého šíleného vtipu. Jak nedávno objevili američtí biologové, oba při svém pohybu využívají jev zvaný přízemní efekt. Zatímco ale ekranoplány, dopravní prostředky na pomezí mezi letadly, loděmi a vznášedly, potřebují k podobnému výkonu blízkost vodní hladiny, medúzy došly o krok dál. Navzdory jednoduché stavbě svalů a nervové soustavy zvládají mistrně využívat vodního proudění, které samy při stazích zvonu vytvářejí. Díky tomu proti sobě při každém tempu staví protiběžné víry, což má za následek zvýšení tlaku pod vnitřní dutinou a výrazně delší „odraz“ při každém stahu. Zefektivnění pohybu ve vodě o mnoho desítek procent snad jednou budou moci díky tomuto objevu využít i lidé, například při konstrukci nových letounů a ponorek.
Medúzy jsou známými, i když pro většinu lidí poněkud nudnými zástupci žahavců. Těžko ostatně čekat, že si naše srdce vybojují étericky pulzující vaky bez mozku, které nás ještě čas od času žahnou, pokud se odvážíme do jejich prostředí. Z odborného hlediska se ovšem jedná o nesmírně zajímavé zástupce skupiny medúzovců, která se světovými oceány prohání už více než 500 milionů let.
Pozoruhodná evoluční výdrž této skupiny sama o sobě značí, že musí být skvěle přizpůsobené svému prostředí. Bez toho by těžko přežily vzestupy a pády takových „těžkých vah“ jako byli trilobiti nebo dinosauři. Nové objevy ovšem značí, že adaptace medúzovců na život ve vodním sloupci mohou dosahovat ještě vyšší úrovně, než kdo tušil. Zdá se, že co medúzám z hlediska svalů či nervových buněk schází na kvantitě, dohání na kvalitě – způsob jejich plavání se totiž blíží teoretické maximální efektivitě ve vodním prostředí.
Už některé dřívější objevy ukazovaly na to, že zdánlivě jednoduché zvony, které tvoří centrální část těla medúz, mohou představovat velmi sofistikované orgány. Třebaže mají medúzovci k dispozici pouze jednu vrstvu svalových buněk a velmi jednoduchý nervový systém, jsou hotovými mistry v ovládání vodního proudění. Talířovka ušatá kupříkladu dovede při každém stahu vytvořit u kraje zvonu vodní víry takového tvaru, že ji kromě samozřejmého postrčení dopředu navíc pomohou nahnat vodu pod vnitřní dutinu. Tato oblast vody o vysokém tlaku, která ji postrčí při každém stahu o něco dál, sama o sobě pomáhá medúze zefektivnit plavání takřka o třetinu.
Podobný trik by pro lidské konstruktéry ponorek, letadel a dalších dopravních prostředků, které se musí pohybovat v plynném nebo tekutém médiu, byl splněným snem. Medúzy toho ale skrývají ještě víc. Jak ukázaly výsledky nejnovějšího výzkumu, talířovky při svém pohybu využívají také sofistikované hydrodynamické jevy, které bývají shrnované pod názvem přízemní efekt.
S přízemním efektem a jeho obdobami se setkáváme tehdy, kdy se nějaký objekt rychle pohybuje podél pevné překážky. Díky tomu, že za takové situace nemůže docházet k rychlému vyrovnávání tlaků nad a pod objektem, vzrůstá vztlak působící na objekt. Výsledkem je, že se daná věc – například křídlo – začne od podkladu vzdalovat. Stejného efektu využívají běžná letadla, aby se v první fázi letu odlepila od země a nabrala dostatečnou rychlost ke vzletu. Úplně je potom na tomto principu založený ekranoplán, stroj na pomezí letadla, vznášedla a lodě, který se dokáže pohybovat velkými rychlostmi těsně nad vodou.
Na rozdíl od letadel či ekranoplánů však medúzy zvládnou využívat jevy analogické přízemnímu efektu i bez toho, aby se nacházely v blízkosti jakékoli překážky. Trik spočívá v dokonalém ovládání vodního proudění. Jak ukázalo pozorování s vysokorychlostní kamerou, laserem a mikročásticemi ve vodě, při každém stahu vznikají u okraje zvonu dva protiběžné víry. Ten spodní přitom medúzám slouží jako obdoba pevného podkladu. Medúzy se tedy vůbec nemusí pohybovat blízko pevného povrchu či hladiny k tomu, aby dosáhly kýžených výhod.
Díky tomuto triku medúzy, které již byly v pohybu, na jeden stah doplavaly o více než 60 % dál ve srovnání s jedinci, kteří startovali z klidového stavu. Jejich rychlost přitom vzrostla o více než 40 %. Zvláště tento druhý údaj je pozoruhodný, protože se jedná o laboratorně naměřenou vrchní hranici, čeho lze přízemním efektem dosáhnout. Zdá se tedy, že medúzy dokázaly využít fyziku proudění až nadoraz.
Bez zajímavosti není ani to, že úplně stejným způsobem, jaký medúzy reálně využívají, přízemní efekt počítají lidští matematici. Velmi přesné výsledky totiž dává model, ve kterém uvažují interakci skutečného víru mezi objektem a podkladem s imaginárním protiběžným vírem na druhé straně překážky. Medúzy pouze vyměnily imaginární vír za reálný.
Medúzovci jsou pro podobný výzkum ideální z toho prostého důvodu, že jsou průhlední. Kvůli jednoduché nervové soustavě také stahují zvon vždy stejným způsobem, což usnadňuje případné statistické analýzy. Získané poznatky nicméně můžeme uplatnit také u organismů s daleko složitějšími způsoby plavání či létání. To vše by přitom mohlo vést i k čistě praktickým výsledkům, jako je například konstrukce biologicky inspirovaných dopravních prostředků vykazujících o mnoho větší bezpečnost a efektivitu pohybu než dnešní letadla, ponorky či ekranoplány.
Zdroj: BJ Gemmell, KT Du Clos, SP Colin, KR Sutherland & JH Costello (2021): The most efficient metazoan swimmer creates a „virtual wall“ to enhance performance. Proceedings of the Royal Society B, 288.