Изящные, неуклюжие или летающие, млекопитающие обладают всеми необходимыми знаниями как двигаться максимально эффективно.

Из школьной физики мы знаем, что кинетическая энергия, необходимая для движения, зависит от массы и скорости: (K = 1/2 mv²), а масса пропорциональна плотности и объему (M = Vd). Кроме того, масса тела увеличивается в кубе, а площадь поверхности – в квадрате, поэтому, когда животное вырастает из младенца во взрослую особь, ему требуется больше энергии от мышц, чтобы двигаться с той же скоростью (вспомните только что вылупившегося ультразавра, который вырастает в огромную взрослую особь). Эти законы физики определяют, сколько энергии должно вырабатываться мышцами, чтобы животное двигалось в течение жизни, и насколько прочными должны быть его кости, чтобы выдерживать нагрузки при движении. Существуют также ограничения на то, как быстро нейроны могут дать сигнал мышцам сокращаться; мозг жирафа должен пройти большее расстояние, подавая сигнал ногам, по сравнению с соответствующей длиной пути у мыши.

Сегодня мы изучим новые данные о трех млекопитающих – одном крупном, одном среднем и одном крошечном, – которые демонстрируют мастерство в физике, необходимое для достижения необычных результатов.

Бегемоты бегают рысцой

Юмор одного из оригинальных сегментов диснеевской «Фантазии» обусловлен нелепостью представления о толстых бегемотах, изящно танцующих на цыпочках и подпрыгивающих в воздух. В реальном мире происходит нечто не столь причудливое. Двое ученых из Королевского ветеринарного колледжа при Лондонском университете сняли высокоскоростное видео бегущих бегемотов и обнаружили, что есть короткие моменты, когда все четыре ноги этих массивных животных отрываются от земли. В статье Хатчинсона и Прингла, опубликованной в журнале PeerJ, это «очевидно новое открытие» в отношении этих крупных сухопутных млекопитающих после того, как они проанализировали 169 шагов 32 бегемотов с помощью высокоскоростных камер.

Учитывая, что вес самца бегемота может достигать 1 500 килограммов, затраты энергии на такой подвиг весьма значительны. Африканцы боятся бегемотов, потому что они ежегодно убивают больше людей, чем львы. Если их спровоцировать, они могут выскочить из воды и пуститься в погоню со скоростью 30 км/ч, что более чем в два раза превышает скорость большинства людей. Обобщая результаты исследования, Боб Йирка написал в Phys.org,

«Они также обнаружили, что при беге на максимальной скорости бегемоты одновременно поднимают все четыре ноги от земли в определенные моменты – это происходит в 15% случаев во время бега. Каждый такой момент длился примерно 0,3 секунды. Дальнейшее исследование показало, что бегемоты бегают рысцой, а не галопом, как носороги». (Выделение добавлено)

Если вы хотите удивиться, посмотрите на фото, прилагаемое к статье, находящейся в открытом доступе, и увидите снимок бегемота, летящего в воздухе!Пример воздушной фазы бега у бегемота. Из интернет-видео: https://www.shutterstock.com/video/clip-1015076347-hippos-chasing-each-other-riverbed, использовано с разрешения. Изображение: Johan Vermeulen. DOI: 10.7717/peerj.17675/fig-5

Быстрые гепарды

Известные как самые быстрые сухопутные млекопитающие, гепарды по праву вызывают наше восхищение. Во время прошлогоднего африканского сафари я узнал от гидов, что их скоростной бег, как правило, состоит из коротких спринтов. Они подкрадываются к добыче и бросаются на нее только тогда, когда она достаточно близка, чтобы ее поймать. Но почему не все млекопитающие способны развивать скорость до 96 км в час, как гепарды?

Ответ, согласно новому исследованию, проведенному в Имперском колледже Лондона, заключается в том, что гепарды занимают «золотую середину» в диапазоне размеров тела.

«В животном царстве существует несоответствие. В то время как многие ключевые характеристики, такие как сила, длина конечностей, продолжительность жизни и размер мозга, как правило, увеличиваются с ростом животных, максимальная скорость бега, как правило, наибольшая у животных среднего размера».

Доктор Дэвид Лабонт с факультета биоинженерии добавил: «Самые быстрые животные – это не большие слоны и не крошечные муравьи, а промежуточного размера, например гепарды». Почему так?

В статье, опубликованной в журнале Nature Communications, объясняется, что у животных есть два предела скорости: «потенциал кинетической энергии», который доминирует у мелких животных, и «рабочий потенциал», который доминирует у крупных животных. Работоспособность, однако, ограничена тем, насколько сильно может сократиться мышца. Какой предел будет достигнут первым, тот и определяет предельную скорость. Гепарды среднего размера находятся в «золотой середине», позволяющей им развивать впечатляющую скорость. (Это не означает, что все млекопитающие такого размера будут быстрыми бегунами. Необходима более тщательная разработка).

Команда смоделировала предельные возможности 400 животных – от муравьев до динозавров – с массой более 11 порядков. Согласно модели, 40-тонный зауропод вряд ли смог бы передвигаться. Не наблюдая их вживую, ученые могут лишь предполагать, что у них были особые приспособления. Меня заинтриговали маленькие ящерицы в моем родном городе, которые могут пробегать несколько длин тела в секунду. Однако небольшая длина их тела по сравнению с гепардом не позволяет им преодолевать такие большие расстояния, хотя их маленькие лапки выглядят как размытое пятно, настолько быстро они передвигаются.

Кстати, в исследовании Мичиганского университета сообщается об удивительном открытии: скорость мышечного сокращения зависит от привычного вещества – воды. Вода в мышечном волокне помогает ему действовать как «самосжимающаяся активная губка», говорят два физика. Поток жидкости в мышечных волокнах придает им «странную эластичность», позволяющую осуществлять трехмерные деформации. «Исследователи представляют себе каждое мышечное волокно как самосжимающуюся активную губку – наполненный водой материал, похожий на губку, который может сжиматься и разжиматься под действием молекулярных двигателей», – пояснил один из физиков.

Время, необходимое для перемещения воды в мышечном волокне, устанавливает верхний предел того, как быстро может сокращаться мышца. Но этот предел очень высок. Гремучая змея может двигать своей погремушкой сотни раз в секунду. Летающие насекомые могут бить крыльями до тысячи раз в секунду! Биение крыльев комара, похоже, близко к теоретическому пределу. Но мы сосредоточились на млекопитающих, а у Mammalia есть и другие физические чудеса. Вот еще один.

Шумные летучие мыши

В нескольких новых научных работах исследованы трюки летучих мышей, достойные воздушного шоу. Один из них – способность «приземляться» вверх ногами на крышу пещеры в темноте. Статья в журнале iScience пытается объяснить, как это развилось, но для этого требуется большая доза воображения:

«У летучих мышей, группы, для которой вопрос о происхождении полета остается нерешенным, эволюционная история механики приземления открывает перспективы, дополняющие эволюцию самого полета. Несмотря на отсутствие окаменелостей, большинство имеющихся данных указывают на планирующее происхождение полета летучих мышей, при котором гипотетический предок летучей мыши обитал на деревьях, обладал мембранами из кожи и осуществлял локомоцию, сходную с локомоцией ныне живущих парирующих млекопитающих».

Говоря о звуках летучих мышей, следует отметить, что они сталкиваются с огромной проблемой, пытаясь различить собственное эхо, когда охотятся в колониях, состоящих из сотен тысяч других крикунов. New Scientist рассказывает об умном методе сбора данных, чтобы выяснить, как летучие мыши решают «проблему вечеринки», которую мы все понимаем, когда пытаемся услышать знакомый голос в толпе. Лаура Клоппер из Университета Нью-Гэмпшира обучила ястреба пролетать через рой из 600 000 летучих мышей в Нью-Мексико, чтобы он мог записывать звуковой ландшафт с помощью ранцевого диктофона, прикрепленного к птице. Она получила записи с 23 пролетов через рой и проанализировала их с помощью компьютера.

Из этих записей исследователи извлекли характеристики «голоса» каждой летучей мыши. Они выделили чрезвычайно малые различия между призывами одной особи и другой и обнаружили, что эти крошечные вариации могут определять огромные различия в сигнале, который возвращается к летучей мыши. Таким образом, каждой летучей мыши проще сравнить возвращающееся эхо с тем, которое она посылала, и игнорировать несовпадающие сигналы. «Очень тонкие изменения оказывают большое влияние на то, принимает или отвергает летучая мышь возвращенный сигнал», – говорит Клоппер.

Аналогичным образом Педерсон и др. в журнале Current Biology исследовали «сверхбыструю» способность свободно летающих летучих мышей корректировать свои сигналы в присутствии шума. Это «эффект Ломбарда», который мы все знаем по повышению голоса или изменению высоты тона в шумных ситуациях, чтобы быть услышанными. [Эффект Ломбарда традиционно рассматривается как повышение интенсивности голоса, которое является неспецифической реакцией на шум (Lombard, 1911) – прим. перев.] Исследователи обнаружили, что «летучие мыши кричат громче в ответ на внезапно возникающий шум всего за 20 мс».

«Мы обнаружили, что летучие мыши вызывали зависящий от полосы пропускания эффект Ломбарда 0,1-0,2 дБ на дБ увеличения шума, с очень коротким временем задержки и возобновления 20 мс в ответ на начало и окончание дежурного циклического шума. В сочетании с отсутствием привязки крика к периодам отсутствия шума, эти результаты показывают, что летучие мыши демонстрируют сверхбыстрый, но жестко запрограммированный вокально-моторный отклик на увеличение уровня шума. Мы предполагаем, что этот рефлекс опосредован простыми замкнутыми аудиомоторными цепями обратной связи, которые работают независимо от биения крыльев и дыхательных циклов, что позволяет быстро адаптироваться к высокодинамичным слуховым сценариям, с которыми сталкиваются эти мелкие хищники».

Сделать это в темноте во время охоты – довольно сложная задача. Еще одна статья в журнале Current Biology, написанная Нисиуми и др. Во время охоты летучие мыши используют «три тактики эхолокации и тактику полета для слежения», что повышает точность. Эхолокация в полете по своей сути затруднена из-за существующих задержек перед получением и обработкой эхосигналов. В это время летучая мышь должна постоянно маневрировать, чтобы не потерять цель. Вспомните истребители:

«Способность "отслеживать цель", например, удерживать объект в поле зрения, имеет решающее значение для различных видов деятельности. Однако большинство сенсорных систем испытывают определенную степень задержки из-за обработки информации, что затрудняет точное отслеживание цели. Длительная история изучения поведения животных позволила выявить несколько тактик для этого, однако систематическое понимание того, как отдельные тактики объединяются в стратегию, не было достигнуто. Данное исследование демонстрирует многогранную стратегию слежения животных, которая смягчает негативные эффекты задержки при небольших затратах на реализацию».

Эксперименты с летучей мышью, обладающей активной чувствительностью, показали, что животное сочетает несколько стратегий, чтобы «уменьшить бремя управления многозадачностью». Три стратегии включали в себя отправку и прием сигнала.

«Тактика полета одновременно с контрманевром помогает эхолокации, стабилизируя направление на цель. Результаты нашего моделирования показывают, что эти комбинированные тактики повышают точность слежения в широком диапазоне ограничений задержки... Наши результаты показывают сложную стратегию в системах слежения животных и дают представление о понимании и разработке эффективно интегрированных стратегий в слежении за целью в различных отраслях».

Еще одно млекопитающее

В завершение предлагаем вам еще одно умное млекопитающее. Все мы видели фильмы о природе, где лисы высоко подпрыгивают и ныряют носом в снег, чтобы поймать мышь. Как им удается делать это без травм? Черепа канид не оснащены амортизаторами. Такое «мышиное» поведение, утверждают Юк и др. в PNAS, возможно благодаря специализированной адаптации черепа:

«Наше исследование подчеркивает значение морфологии черепа, в частности кривизны морды, в смягчении ударной силы, которую испытывают лисы во время ныряния в снег. Наши результаты показывают, что начальная фаза удара при нырянии лисиц в снег очень похожа на поведение жидкостей при высоких числах Рейнольдса. Эти данные проливают свет на биомеханику этого уникального охотничьего поведения и вносят ценный вклад в наше понимание адаптации животных и их взаимодействия с окружающей средой».

Высокое число Рейнольдса указывает на турбулентное течение, в котором инерционные силы преобладают над вязкими. Этот небольшой изгиб вверх на узкой морде лисы позволяет ей погружаться в снег и рассеивать энергию в окружающее пространство. Как лиса научилась приспосабливать свой череп и морду таким образом? Без способности слышать мышь под снегом и инстинкта прыгать и нырять в него изогнутая морда принесла бы мало пользы.

В общем, животные (в данном случае млекопитающие) с рождения хорошо приспособлены к тому, чтобы максимально использовать законы физики. Гораздо приятнее сосредоточиться на научном наблюдении, чем на дарвинских историях. Изучение и понимание того, как все устроено, приносит дополнительную пользу, вдохновляя инженеров на подражание стратегиям проектирования, которые окружают нас повсюду.