Витончені, незграбні або літаючі, ссавці володіють усіма необхідними знаннями як рухатися максимально ефективно.

Зі шкільної фізики ми знаємо, що кінетична енергія, необхідна для руху, залежить від маси та швидкості: (K = 1/2 mv²), а маса пропорційна щільності та об'єму (M = Vd). Окрім того, маса тіла збільшується в кубі, а площа поверхні – в квадраті, тому, коли тварина виростає з немовляти на дорослу особину, їй потрібно більше енергії від м'язів, щоб рухатися з тією самою швидкістю (згадайте ультразавра, який щойно вилупився, виростає у величезну дорослу особину). Ці закони фізики визначають, скільки енергії мають виробляти м'язи, щоб тварина рухалася протягом життя й наскільки міцними мають бути її кістки, щоб витримувати навантаження під час руху. Існують також обмеження на те, як швидко нейрони можуть дати сигнал м'язам скорочуватися; мозок жирафа має пройти більшу відстань, подаючи сигнал ногам, порівняно з відповідною довжиною шляху в миші.

Сьогодні ми вивчимо нові дані про трьох ссавців – одного великого, одного середнього й одного крихітного, – які демонструють майстерність у фізиці, необхідну для досягнення незвичайних результатів.

Бегемоти бігають риссю

Гумор одного з оригінальних сегментів діснеївської «Фантазії» зумовлений безглуздістю уявлення про товстих бегемотів, які витончено танцюють навшпиньках й підстрибують в повітрі. В реальному світі відбувається щось не настільки химерне. Двоє вчених з Королівського ветеринарного коледжу при Лондонському університеті зняли високошвидкісне відео бегемотів, які біжать, й виявили, що є короткі моменти, коли всі чотири ноги цих масивних тварин відриваються від землі. В статті Хатчінсона й Прінгла, опублікованій в журналі PeerJ, це «очевидно нове відкриття» щодо цих великих наземних ссавців після того, як вони проаналізували 169 кроків 32 бегемотів за допомогою високошвидкісних камер.

З огляду на те, що вага самця бегемота може досягати 1 500 кілограмів, витрати енергії на такий подвиг досить значні. Африканці бояться бегемотів, бо вони щороку вбивають більше людей, ніж леви. Якщо їх спровокувати, вони можуть вискочити з води й пуститися в погоню зі швидкістю 30 км/год, що більш ніж вдвічі перевищує швидкість більшості людей. Узагальнюючи результати дослідження, Боб Йірка написав у Phys.org,

«Вони також виявили, що під час бігу на максимальній швидкості бегемоти одночасно піднімають усі чотири ноги від землі в певні моменти – це відбувається в 15% випадків під час бігу. Кожен такий момент тривав приблизно 0,3 секунди. Подальше дослідження показало, що бегемоти бігають риссю, а не галопом, як носороги». (Виділення додано)

Якщо ви хочете здивуватися, подивіться на фото, що додається до статті, яка перебуває у відкритому доступі, й побачите знімок бегемота, що летить в повітрі!Приклад повітряної фази бігу в бегемота. З інтернет-відео: https://www.shutterstock.com/video/clip-1015076347-hippos-chasing-each-other-riverbed, використано з дозволу. Зображення: Johan Vermeulen. DOI: 10.7717/peerj.17675/fig-5

Швидкі гепарди

Відомі як найшвидші наземні ссавці, гепарди насправді викликають наше захоплення. Під час торішнього африканського сафарі я дізнався від гідів, що їхній швидкісний біг, як правило, складається з коротких спринтів. Вони підкрадаються до здобичі й кидаються на неї тільки тоді, коли вона досить близько, щоб її зловити. Але чому не всі ссавці здатні розвивати швидкість до 96 км на годину, як гепарди?

Відповідь, згідно з новим дослідженням, проведеним в Імперському коледжі Лондона, полягає в тому, що гепарди займають «золоту середину» в діапазоні розмірів тіла.

«В тваринному царстві існує невідповідність. В той час як багато ключових характеристик, як-от сила, довжина кінцівок, тривалість життя й розмір мозку, як правило, збільшуються з величиною тварин, максимальна швидкість бігу, як правило, найбільша у тварин середнього розміру».

Доктор Девід Лабонт з факультету біоінженерії додав: «Найшвидші тварини – це не великі слони й не крихітні мурахи, а проміжного розміру, наприклад гепарди». Чому так?

В статті, опублікованій в журналі Nature Communications, пояснюється, що у тварин є дві межі швидкості: «потенціал кінетичної енергії», який домінує у дрібних тварин, і «робочий потенціал», який домінує у великих тварин. Працездатність, однак, обмежена тим, наскільки сильно може скоротитися м'яз. Яка межа буде досягнута першою, та й визначає граничну швидкість. Гепарди середнього розміру перебувають в «золотій середині», що дозволяє їм розвивати вражаючу швидкість. (Це не означає, що всі ссавці такого розміру будуть швидкими бігунами. Необхідна більш ретельна розробка).

Команда змоделювала граничні можливості 400 тварин – від мурах до динозаврів – з масою понад 11 порядків. Згідно з моделлю, 40-тонний зауропод навряд чи зміг би пересуватися. Не спостерігаючи їх наживо, вчені можуть лише припускати, що в них були особливі пристосування. Мене заінтригували маленькі ящірки в моєму рідному місті, які можуть пробігати кілька довжин тіла за секунду. Однак невелика довжина їхнього тіла порівняно з гепардом не дозволяє їм долати такі великі відстані, хоча їхні маленькі лапки виглядають як розмита пляма, настільки швидко вони пересуваються.

До речі, в дослідженні Мічиганського університету повідомляється про дивовижне відкриття: швидкість м'язевого скорочення залежить від звичної речовини – води. Вода в м'язевому волокні допомагає йому діяти як «активна губка, що самоскорочується», кажуть два фізики. Потік рідини в м'язевих волокнах надає їм «дивну еластичність», що дає змогу здійснювати тривимірні деформації. «Дослідники уявляють собі кожне м'язеве волокно як активну губку, що самоскорочується, – наповнений водою матеріал, схожий на губку, який може стискатися й розтискатися під дією молекулярних двигунів», – пояснив один із фізиків.

Час, необхідний для переміщення води в м'язевому волокні, встановлює верхню межу того, як швидко може скорочуватися м'яз. Але ця межа дуже висока. Гримуча змія може рухати своїм брязкальцем сотні разів на секунду. Летючі комахи можуть бити крилами до тисячі разів на секунду! Биття крил комара, схоже, близьке до теоретичної межі. Але ми зосередилися на ссавцях, а у Mammalia є й інші фізичні дива. Ось ще один.

Шумні кажани

В кількох нових наукових роботах досліджено трюки кажанів, гідні повітряного шоу. Один з них – здатність «приземлятися» догори ногами на дах печери в темряві. Стаття в журналі iScience намагається пояснити, як це розвинулося, але для цього потрібна велика доза уяви:

«У кажанів, групи, для якої питання про походження польоту залишається невирішеним, еволюційна історія механіки приземлення відкриває перспективи, що доповнюють еволюцію самого польоту. Незважаючи на відсутність скам'янілостей, більшість наявних даних вказують на ширяюче походження польоту кажанів, за якого гіпотетичний предок кажана мешкав на деревах, володів шкірними мембранами й здійснював локомоцію, схожу на локомоцію ширяючих ссавців, які живуть нині».

Говорячи про звуки кажанів, слід зазначити, що вони стикаються з величезною проблемою, намагаючись розрізнити власне відлуння, коли полюють колоніями, які складаються із сотень тисяч інших крикунів. New Scientist розповідає про розумний метод збору даних, щоб з'ясувати, як кажани вирішують «проблему вечірки», яку ми всі розуміємо, коли намагаємося почути знайомий голос в натовпі. Лаура Клоппер з Університету Нью-Гемпшира навчила яструба пролітати через рій із 600 000 кажанів в Нью-Мексико, щоб він міг записувати звуковий ландшафт за допомогою ранцевого диктофона, прикріпленого до птаха. Вона отримала записи з 23 прольотів через рій і проаналізувала їх за допомогою комп'ютера.

З цих записів дослідники витягли характеристики «голосу» кожного кажана. Вони виокремили надзвичайно малі відмінності між закликами однієї особини та іншої й виявили, що ці крихітні варіації можуть визначати величезні відмінності в сигналі, який повертається до кажана. Таким чином, кожному кажану простіше порівняти відлуння, що повертається, з тим, яке він посилав, та ігнорувати сигнали, що не збігаються. «Дуже тонкі зміни дуже впливають на те, приймає або відкидає кажан сигнал, що повернувся», – каже Клоппер.

Аналогічним чином Педерсон та ін. в журналі Current Biology досліджували «надшвидку» здатність кажанів, що вільно літають, коригувати свої сигнали в присутності шуму. Це «ефект Ломбарда», який ми всі знаємо за підвищенням голосу або зміною висоти тону в шумних ситуаціях, щоб бути почутими. [Ефект Ломбарда традиційно розглядають як підвищення інтенсивності голосу, що є неспецифічною реакцією на шум (Lombard, 1911) – прим. перекл.] Дослідники виявили, що «кажани кричать голосніше у відповідь на шум, який раптово виникає, всього за 20 мс».

«Ми виявили, що кажани викликали залежний від смуги пропускання ефект Ломбарда, що залежить від 0,1-0,2 дБ на дБ збільшення шуму, з дуже коротким часом затримки й відновлення 20 мс у відповідь на початок й закінчення чергового циклічного шуму. В поєднанні з відсутністю прив'язки крику до періодів відсутності шуму, ці результати показують, що кажани демонструють надшвидкий, але жорстко запрограмований вокально-моторний відгук на збільшення рівня шуму. Ми припускаємо, що цей рефлекс опосередкований простими замкнутими аудіомоторними ланцюгами зворотного зв'язку, які працюють незалежно від биття крил й дихальних циклів, що дає змогу швидко адаптуватися до високодинамічних слухових сценаріїв, з якими стикаються ці дрібні хижаки».

Зробити це в темряві під час полювання – досить складне завдання. Ще одна стаття в журналі Current Biology, написана Нісіумі та ін. Під час полювання кажани використовують «три тактики ехолокації й тактику польоту для стеження», що підвищує точність. Ехолокація в польоті за своєю суттю ускладнена через існуючі затримки перед отриманням та обробкою ехосигналів. В цей час кажан повинен постійно маневрувати, щоб не втратити ціль. Згадайте винищувачі:

«Здатність "відстежувати ціль", наприклад, утримувати об'єкт в полі зору, має вирішальне значення для різних видів діяльності. Однак більшість сенсорних систем відчувають певний ступінь затримки через обробку інформації, що ускладнює точне відстеження мети. Тривала історія вивчення поведінки тварин дала змогу виявити кілька тактик для цього, проте систематичного розуміння того, як окремі тактики об'єднуються в стратегію, не було досягнуто. Це дослідження демонструє багатогранну стратегію стеження тварин, яка пом'якшує негативні ефекти затримки при невеликих витратах на реалізацію».

Експерименти з кажаном, що має активну чутливість, показали, що тварина поєднує кілька стратегій, щоб «зменшити тягар управління багатозадачністю». Три стратегії включали в себе відправлення й прийом сигналу.

«Тактика польоту одночасно з контрманевром допомагає ехолокації, стабілізуючи напрямок на ціль. Результати нашого моделювання показують, що ці комбіновані тактики підвищують точність стеження в широкому діапазоні обмежень затримки... Наші результати показують складну стратегію в системах стеження тварин і дають уявлення про розуміння й розробку ефективно інтегрованих стратегій в стеженні за ціллю в різних галузях».

Ще один ссавець

На завершення пропонуємо вам ще одного розумного ссавця. Всі ми бачили фільми про природу, де лисиці високо підстрибують й пірнають носом в сніг, щоб впіймати мишу. Як їм вдається робити це без травм? Черепи канід не мають амортизаторів. Така «мишача» поведінка, стверджують Юк та ін. у PNAS, можлива завдяки спеціалізованій адаптації черепа:

«Наше дослідження підкреслює значення морфології черепа, зокрема кривизни морди, в пом'якшенні ударної сили, якої зазнають лисиці під час пірнання у сніг. Наші результати показують, що початкова фаза удару під час пірнання лисиць у сніг дуже схожа на поведінку рідин за високих чисел Рейнольдса. Ці дані проливають світло на біомеханіку цієї унікальної мисливської поведінки й роблять цінний внесок в наше розуміння адаптації тварин та їхньої взаємодії з навколишнім середовищем».

Високе число Рейнольдса вказує на турбулентну течію, в якій інерційні сили переважають над в'язкими. Цей невеликий вигин вгору на вузькій морді лисиці дає змогу їй занурюватися в сніг та розсіювати енергію в навколишній простір. Як лисиця навчилася пристосовувати свій череп і морду таким чином? Без здатності чути мишу під снігом та інстинкту стрибати й пірнати в нього вигнута морда принесла б мало користі.

Назагал, тварини (в даному випадку ссавці) з народження добре пристосовані до того, щоб максимально використовувати закони фізики. Набагато приємніше зосередитися на науковому спостереженні, ніж на дарвінських історіях. Вивчення й розуміння того, як все влаштовано, приносить додаткову користь, надихаючи інженерів на наслідування стратегій проєктування, що оточують нас усюди.