Двойно движение с кенгуру
Нов Южен Уелс
Кенгуру, локомоция
Двойно движение в кенгуру (Bipedie):
Във всички части на света бозайниците използват и четирите крака за придвижване, с изключение на Австралия. Кенгурутата (групата на Macropodinae) скачат и скачат на двата си задни крака. Станали са двукраки. Само защо?
Поради своите изключителни способности за скачане (до 3 м височина и 12 м ширина), кенгуруто може много бързо да достигне висока скорост в движение и да я задържи дори на терен, пълен с препятствия.
Височината и ширината на скок са резултат от силата на краката и дължината на силата, така нареченото разстояние на пружината спрямо телесната маса. Колкото по-голямо е телесното тегло, толкова по-голяма трябва да бъде силата. Ето защо телесната маса за скачане на животни е ограничена нагоре, при което големите кенгуру достигат тази граница с около 90 кг.
Нека разгледаме по-отблизо връзката между мускулната сила и телесната маса:
Силата на мускула зависи главно от броя на всички свиващи се мускулни влакна и по този начин от напречното сечение на мускула (ако пренебрегнем някои трикове, които природата „съхранява“). Когато радиусът на напречното сечение на мускула се удвои, силата му се увеличава в квадрата.
Тъй като мускулът също има обем, масата му се променя в кубична форма.
Това неизбежно има допълнителни последици във физиологията: Ако масата на мускула и по този начин неговата производителност се увеличи, всички органи, които снабдяват мускулите, също трябва да увеличат своята ефективност, т.е. всички вътрешни органи от белите дробове до храносмилателната система изискват повишаване на производителността, което е възможно само чрез увеличаване на тяхната маса. В допълнение, скелетната система трябва да бъде адаптирана към по-голямата сила, което от своя страна би довело до увеличаване на теглото на скелета.
Поради тези взаимоотношения телесната маса на скачащите животни е ограничена нагоре, малките, леки животни скачат относително по-високо и по-далеч от големите (известен е примерът с бълхата).
За да се увеличи дължината на пружината, кракът е стават по-дълги и при по-бързо движение само върховете на пръстите на краката докосват земята (подобно - аналогично, конвергентно - развитие при копитни животни).
Броят на пръстите на краката е намален - 4-ти пръст е силно увеличен и се използва за отпечатване при скачане, 5-ти пръст осигурява баланс, 2-ри и 3-ти пръст се сливат по странен начин и се използват за поддържане, 1-ви пръст. Палецът на крака напълно липсва.
Причини за еволюцията на двукраката локомоция за скачане?
За да скочите, всички крака трябва да бъдат изтласкани от земята едновременно. Центърът на тежестта на тялото трябва бързо да слезе под основната сила на подаване. Това работи само по себе си с двуногите. За балансиране се използва дълга опашка. (Последното очевидно не е задължително от степени, което хората и жабите доказват.)
Огромната мускулна маса на задните крака осигурява необходимата сила. Енергията, необходима за свиване на мускулите, се осигурява чрез изгаряне на глюкоза с помощта на кислород (дишане или дисимилация на клетките). Сега при многократни скокове се консумира толкова много кислород, че запасите не могат да се справят. Мускулът преминава към производството на енергия без кислород, към готвенето, при което се развива и натрупва млечна киселина. Последното води до мускулна умора (хората в края на 100 метра бягане). Освен това по време на готвене се натрупват само малки количества енергия в сравнение с генерирането на окислителна енергия (разграждане на глюкозата с кислород = дисимилация).
Кенгуруто е овладяло този проблем, като е тренирало задните си крака в навивки. В резултат на това голяма част от енергията на удара се съхранява по време на скока (при "нормални" четириноги тя се губи като топлина) и се използва за следващия скок.
Нека илюстрираме това за себе си. При скачане кенгуру се откъсва от земята с двата задни крака едновременно (виж снимките), люлее ги далеч напред и ги поставя отново. Енергията на удара е толкова висока, че нормално изградените крака биха се счупили. При кенгуруте задните крака се извиват в ставите при удар и възникващите сили се поемат от органи с еластични свойства. По същество това са сухожилията - особено ахилесовото сухожилие - които могат да бъдат опънати като бънджи лента. След това сухожилията отново се свиват, освобождават съхранената енергия и гарантират, че краката се разтягат отново, което кара тялото на животното да се повдигне от земята за следващия скок.
Изпълнението на скокове се дължи главно на пролетното действие на сухожилията, което, разбира се, не струва никаква енергия. Но както при всяко преобразуване на енергия, възникват енергийни загуби, които трябва да бъдат компенсирани от мускулната сила. (Размерът на загубите е посочен много различно в зависимост от автора.)
При експерименти с "нормални" бозайници на бягащата пътека консумацията на кислород (мярка за енергийната консумация) се увеличава няколко пъти с увеличаване на скоростта (над 30 км/ч), докато консумацията на енергия в кенгуруто остава практически същата.
Предни крака, задачи
Специализацията на задните крака в бързото движение означава, че предните крака могат да поемат други задачи: хващане, подпомагане на приема на храна, подстригване (виж снимките в долната част) и само второстепенна задача е подрязването при бавно движение. В еволюцията се наблюдава намаляване на размера, тъй като усилията за изграждане могат да бъдат по-ниски. В същото време всичките пет пръста с нокти остават в еволюция.
Предимства на бипедията в кенгурута:
Необходимостта от бързо бягство не може да бъде причина за развитието на двукраки кенгурута. Газелите с четири крака са напр. толкова бързо. От кого трябва да бягат големите кенгурута? Като най-големият сухоземен хищник в Австралия, вълкът-торбичка не беше подходящ за създаване на достатъчен натиск за подбор, както и късно внесеният динго.
Нещо съвсем различно вероятно е било решаващо. Благодарение на пролетната конструкция на задните крака, мускулите не трябва да вършат основната работа, те почти не се затоплят и не трябва да се охлаждат. Това спестява големи количества вода, тъй като в противен случай водата трябва да се изпари при дишане, за да се получи студено изпарение.
Австралия е най-сухият континент от милиони години с изразени степи и савани. Животните трябваше да изминат големи разстояния до следващата водна дупка и до следващата пасищна зона (прясна трева, израснала след местна гръмотевична буря). Поради способността на кенгурутата да скачат, те могат да направят това, без да губят твърде много вода.
Сухотата на този континент е наложила развитието на скок с два крака.
Появата на двукраки скокове при други издънки показва, че този тип придвижване е адаптация към живота в безводни райони: тушканчетата се срещат в Сахара, а плъховете кенгуру в подобни на пустинята сухи райони на Америка.
Недостатъци на бипедията:
С тази специализация се приема, че бавното движение (с кенгурута дори „с пет крака“, тъй като опашката * действа като вид пети крак) струва повече енергия, отколкото при четириногите приятели - при 5 км/ч около четири пъти повече, отколкото при друг биберон Размер.
Задните крака и техните стави трябваше да бъдат втвърдени поради голямото натоварване при скачане, така че екстремни промени в посоката по време на бързо движение едва ли са възможни или дори движение назад не е възможно, което може да се види по крайпътните пътища на Австралия. В същото време задните крайници не могат да се движат независимо, поне на сушата, но изненадващо, това е възможно във вода, докато плувате.
В допълнение, ограничението на размера на тази група животни е значително, при по-големите животни връзката между „полезния товар“ и масата на необходимите двигателни мускули би била неикономична. Слон просто не може да скочи.
* При бавно движение опашката служи като вид пети крак. Използва се за едновременно повдигане на задните крака и за да можете да ги поставите напред (вижте снимката в средата).