Die winzigen Krallen der jungen Schnappgarnelen beschleunigen im Wasser wie eine Kugel

Wenn es um einen schnellen Zug geht, übertreffen nur wenige Kreaturen die ausgewachsenen Schnappgarnelen (Alpheus heterochaelis). Sie betäuben vorbeiziehende Fische und Feinde mit einem einfachen Klicken einer federbelasteten Klaue, die einen Hochgeschwindigkeitsstrahl spritzt, der durch das Wasser reißt und eine mit Dampf gefüllte Blase (eine Kavitationsblase) erzeugt, die dann implodiert, was zu einem katastrophalen Schock führt Welle – komplett mit einem scharfen Knallgeräusch und einem winzigen Lichtblitz – um ihren Gegner außer Gefecht zu setzen.

„Wir können die Blase nicht mit bloßem Auge sehen, es passiert zu schnell, aber wir können hören, wenn die Blase zusammenbricht“, sagt Jacob Harrison vom Georgia Institute of Technology, USA. Die Krallen der erwachsenen Garnele krachen mit rasend schnellen Geschwindigkeiten von bis zu 30 ms−1 zusammen und der gesamte Vorgang ist in weniger als einer Millisekunde abgeschlossen. Aber an welchem ​​Punkt ihres Wachstums entwickeln Schnappgarnelen ihre Haarauslöserkrallen, wann sind sie in der Lage, einen Strahl zu spritzen, der Wasser auseinander reißen kann, und wie schneidet ihre Leistung im Vergleich zu der ihrer Eltern ab?

Als Doktorandin im Labor der Duke University von Sheila Patek wurde Harrison Ersatzelternteil einer Truppe zur Entwicklung von Schnappgarnelen und entdeckte, dass die Garnelenjungen in der Lage sind, ihre oberen Klauen im Wasser so schnell wie eine Gewehrkugel und 20-mal schneller als zu beschleunigen ihre Eltern. Er hat seine Entdeckung veröffentlicht, dass die Krallen von schnappenden Garnelenjungen das am schnellsten beschleunigende wiederverwendbare Körperteil im Wasser sind Zeitschrift für experimentelle Biologie.

Nachdem er vier schnappende Garnelenweibchen mit Eiern aus dem Wattenmeer vor Beaufort, North Carolina, USA, gesammelt hatte, pflegte Harrison die Garnelenjungen nach dem Schlüpfen und verfolgte ihr Wachstum, bis sie im Alter von etwa einem Monat anfingen, ihre Krallen zu brechen.

„Ich konnte es nicht sehen, aber ich fing an, es zu hören“, sagt Harrison, der die Klauenklicks des Jungen unter einem Mikroskop mit 300.000 Bildern s−1 über einen Zeitraum von drei Wochen filmte, um jedes Detail des blitzschnellen Manövers festzuhalten als die Krebstiere reiften. „Ich musste sie mit einem Zahnstocher ärgern, damit sie brechen“, lacht er. Nachdem er mehr als 280 Klauenschnappschüsse gefilmt hatte, begann Harrison, 125 der Manöver akribisch zu rekonstruieren, um die Beschleunigung der Klauen beim Schließen, die verbrauchte Energiemenge und die zur Erzeugung des Wasserstrahls erforderliche Kraft zu berechnen.

Unglaublicherweise konnte selbst die kleinste schnappende Garnele – mit Krallen, die nur 1 mm lang waren und nur 0,03 mg wogen – gelegentlich einen Wasserstrahl verspritzen, der eine explosive Kavitationsblase erzeugte. „Ich war völlig begeistert. Diese schnappende Garnele war etwa so lang wie eine Klammer und konnte sich schnell genug bewegen, um Wasser zu kavitieren“, sagt Harrison. Als er die Beschleunigung der winzigen oberen Klaue berechnete, als sie auf die untere Klaue aufschlug, war er erstaunt, dass sie dabei eine Beschleunigung von 580.000 m/s2 erreichte – so schnell wie eine Kugel und etwa 20-mal schneller als die Kralle eines Erwachsenen mit mehr als 1.500.000 Grad/s (250.000 U/min) drehen.

„Es ist die schnellste aufgezeichnete Beschleunigung für eine wiederholbare Unterwasserbewegung“, sagt Harrison, obwohl er erklärt, dass die Kiefer von Dracula-Ameisen in der Luft schneller beschleunigen und die Stachelzellen von Quallen schneller im Wasser beschleunigen, aber sie werden jedes Mal zerstört, wenn sie ausgelöst werden .

Als nächstes berechnete Harrison die Leistung, die erforderlich ist, um eine so beeindruckende Explosion zu erzeugen, und sie kam auf ~65.000.000 W/kg Muskel, was weit über den 1200 W/kg lag, die für den stärksten Vogelflugmuskel gemessen wurden. Nur ein Katapult, das Energie speichert und sie dann sofort freisetzt, könnte einen so explosiven Wasserstrahl erzeugen.

So entwickeln Schnappgarnelen etwas mehr als einen Monat nach dem Schlüpfen die Fähigkeit, ihre Krallen zuzuklappen und eine Kavitationsblase zu erzeugen, wobei sie erstaunlich schnelle Beschleunigungen erreichen, die die ihrer Eltern bei weitem übertreffen. Aber Harrison vermutet, dass die Jugendlichen ein paar Platzpatronen abfeuern müssen, bevor sie sich aufbauen, um Kavitationsblasen zu produzieren.

„Jugendliche könnten ihre Schläge „üben“, schlägt er vor und erklärt, dass die Jugendlichen möglicherweise einige Male verriegeln und laden müssen, um sich aufzubauen, bis sie in der Lage sind, ihre ballistischen Kavitationswasserstrahlen zuverlässig freizusetzen.