Geckon, kvantfysiken och livet upp och ner
- 6 min
Kvantfysik. Livet. Två storheter som kan te sig närapå omöjliga att ens börja förstå närmare. Men med den svenska, vetenskapliga sammanslutningen HUBIQs nyutkomna bok Kvantfysiken och livet får läsaren en underhållande och spränglärd genomgång av hur kvantfysikens lagar och mekanismer spelar in i det biologiska livets alla hörn. Som i följande smakprov – kapitlet om geckoödlornas förmåga att klättra på väggar och hänga i taket.
Missa inte heller författaren Göran Johanssons recension av HBO-serien DEVS!
Du kan köpa Kvantfysiken och livet i din lokala bokhandel, i nätbokhandeln eller på Volante shop.
Redan Aristoteles uttryckte för över tvåtusen år sedan sin förvåning över att ödlan kunde springa upp och ner längs trädstammarna utan att tappa fotfästet
Den som rest i varmare länder har kanske sett geckoödlorna sitta blickstilla runt lamporna i taket, där nattens alla flygande insekter samlas. Tålmodigt väntar ödlorna tills ett byte kommer inom räckhåll, och då gör de ett blixtsnabbt utfall.
Geckoödlorna utgör en stor familj med över tusen arter. De flesta är nattdjur med stora svarta ögon som de fuktar med sin tunga. De är unika bland ödlor genom att de har ett läte: de kvittrar, nästan som små fåglar. Men deras mest uppseendeväckande egenskap är förmågan att klättra uppför släta väggar och fönster, och obekymrat gå upp-och-nervända i taket.
Geckons hemlighet bygger istället på kvantfysik.
Det här är en konst som har fascinerat genom historien. Redan Aristoteles uttryckte för över tvåtusen år sedan sin förvåning över att ödlan kunde springa upp och ner längs trädstammarna utan att tappa fotfästet. Genom åren har man försökt förklara hur det här går till på många olika sätt. Kanske utsöndrar de ett klibbigt ämne, eller har de något slags sugkoppar på fötterna? Sitter det mikroskopiska kilar under deras fotsulor så att de kan säkra fast sig ungefär som bergsklättrare? Ingen av de här förklaringarna har visat sig stämma. Geckons hemlighet bygger istället på kvantfysik.
Betraktar man ödlans fötter i ett mikroskop syns fotsulornas egenartade uppbyggnad. Under fötterna har de miljontals små tunna hår, bara några tusendels millimeter tjocka. De här små hårstrukturerna kallas setae, och man har uppskattat att det finns 6,5 miljoner setae under fötterna på en geckoödla. Det gör att den sammanlagda ytan av varje fots undersida blir imponerande stor. Det är dessa setae som är hemligheten bakom geckons superkraft.
Hur kan då små tunna hårliknande utskott göra att ödlan kan gå på väggar och tak?
En möjlighet som diskuterades redan tidigt var att elektrostatiska laddningar kunde göra att geckons fötter häftade fast vid olika ytor. Det är ju välkänt att man kan ladda upp en stav av bakelit genom att gnida den med en lämplig duk (ett vanligt experiment på fysiklektionerna förr i världen). På vintern när luften är torr inomhus kan man få en rejäl elektrisk stöt om man hasar fram på ett golv iförd skor med gummisulor och sedan tar i ett dörrhandtag av metall, och om man gnider en uppblåst ballong mot håret så hänger den kvar på huvudet tack vare den elektrostatiska attraktionen som uppstår vid gnidandet.
Om geckon har elektriska laddningar under fötterna skulle det då kunna åstadkomma en liknande attraktionskraft mot underlaget? Nej, den förklaringen avfärdades redan på 30-talet när en tysk forskare vid namn Wolf-Dietrich Dellit i sitt laboratorium lät en ödla klättra upp på en metallplatta monterad på väggen samtidigt som han bestrålade luften runt geckons fötter med röntgenstrålning. Enligt teorin borde strålningen neutralisera eventuella elektriska laddningar mellan foten och underlaget och alltså få ödlan att tappa greppet. Men Dellits ödlor klättrade obekymrat vidare och den elektrostatiska förklaringen blev skrotad. Efter det negativa resultatet med röntgenapparaten lade Dellit fram hypotesen att ödlorna troligen hade extremt små, osynliga krokar under fötterna som gjorde att de kunde klamra sig fast i ojämnheter på väggen. Men det har de alltså inte.
Bara fantasin sätter gränser för vad den som avslöjar geckons hemlighet skulle kunna göra.
Man kan förstås fundera över varför det ägnats så mycket forskarenergi åt de små geckoödlorna, och förklaringen är naturligtvis att man varit ute efter att imitera deras fantastiska klätterförmåga. Bara fantasin sätter gränser för vad den som avslöjar geckons hemlighet skulle kunna göra.
Och skam den som ger sig – den elektrostatiska förklaringen har återuppstått, men nu uppbackad av nanoteknologi och just kvantfysik. Man har upptäckt att de smala håren under geckoödlans fötter tycks avslutas med extremt tunna nanotrådar som bara är fem till tio nanometer tjocka. De är därmed lika tunna som väggen hos en biologisk cell. Gapet i kontaktytan mellan nanotråden och underlaget blir lika litet som avståndet mellan atomerna i en molekyl, och med sådana avstånd är vi nere i den mikrovärld där kvantmekaniken regerar.
Den här extremt intima kontakten gör att några elektroner kan utnyttja det kvantmekaniska fenomen som kallas tunnling. Laddade elektroner rör sig mellan den tunna tråden och underlaget. Det gör att foten blir lite positivt laddad medan underlaget blir elektriskt negativt. Resultatet är en elektrostatisk attraktion som håller kvar ödlan i taket – samma kraft som kan få håret att resa sig på grund av en statiskt laddad ballong – skapad i geckons fot genom ett kvantfysikaliskt fenomen.
Man har räknat ut att om alla små hår under geckons fot skulle aktiveras samtidigt kan attraktionen hålla för över 130 kilo – nog för att lyfta två människor.
Men om nu kraften är stark nog att hålla ödlans hela vikt när den hänger upp och ner, hur kommer den loss? Varför hänger den inte bara kvar, klistrad mot taket? Det har visat sig att den faktiskt kan lösgöra sin fot på några millisekunder utan synlig ansträngning.
Hemligheten är att ödlorna har en speciell muskel i underbenet som gör att fotsulan kan ändra form och därmed sin vinkel mot underlaget. Det gör att ödlan enkelt kan lyfta benet för att ta ett nytt kliv som trotsar gravitationen.
Man har hittat hundra miljoner år gamla fossila geckoödlor i bärnsten med fötter som liknar dem på dagens ödlor.
Man har hittat hundra miljoner år gamla fossila geckoödlor i bärnsten med fötter som liknar dem på dagens ödlor. Evolutionen använde sig alltså tidigt av kvantfysik för att djurarter skulle kunna hävda sig och överleva.
Geckoödlorna drar nytta av tunnlingens möjligheter för att skapa sig ett eget livsutrymme där andra insektsätare har svårt att konkurrera. För länge sedan uppe i träd och på bergväggar, men på senare tid har de alltså lärt sig att utnyttja de lampor människan hängt upp i taken och som lockar till sig insekter när mörkret faller.
Men nu då, när vi vet så mycket om hur geckon bär sig åt, var är skorna som får oss att kunna klättra på väggarna? Vi får nog vänta lite. Det finns idag olika varianter av tejp som använder sig av gecko-inspirerade modeller och metoder för att fästa mot ytor, till exempel genom att använda de mikroskopiska strukturer som kallas kolnanorör, och utvecklingen går vidare, ännu mest på laboratorienivå. Vår förmåga att utnyttja nanotekniken har just börjat komma ikapp ödlorna och evolutionen.
