Простые движения Ученые разобрались в механике лягушек, акул и голубей

Как прыгают лягушки, почему не тонут акулы и отчего у голубей получается закручивать такие лихие виражи? На эти и многие другие вопросы отвечает замечательная наука - биомеханика. Три вопроса, вынесенные в начало, не случайны - именно в этих направлениях в последние несколько месяцев биологам удалось достичь существенных результатов. Этим результатам (и немного самой биомеханике) посвящена эта статья.

На первых порах биомеханика была наукой о том, как движется и как работает с механической точки зрения именно человеческое тело. Леонардо да Винчи, например, называл человеческий организм образцом природной механики и, по мнению некоторых специалистов, может считаться основоположником этой науки. Из-за своей ориентированности на человека термин "биомеханика" иногда используется как синоним "биомеханики человека". Ниже, однако, речь пойдет о рыбах, птицах и животных, чье движение часто много интереснее человеческого.

Классический вопрос об акулах

Одним из классических вопросов биомеханики является вопрос описания движения акул. Дело в том, что средняя плотность этой рыбы как физического тела больше плотности воды, поэтому, если она не будет двигаться, то просто опустится на дно, и там и останется. Из-за этого акулы находятся в постоянном движении. При этом, разумеется, интересно знать, как именно они удерживаются на плаву?

До недавнего времени ученые полагали, что дополнительная вертикальная сила, поддерживающая рыбу на плаву, создается благодаря форме тела и задранному носу. В свою очередь некоторые полагали, что акулы "подмахивают" себе хвостом - на это указывала необычная асимметричная форма хвостового плавника с сильно вытянутой назад верхней частью.

Подтвердить эти подозрения смогли только в 2002 году. В Journal of Experimental Biology появилась статья, авторы которой смогли разобраться с движением хвоста рыбы. Для этого они добавили в воду мельчайшие твердые частицы, движение которых регистрировалось двумя камерами. Используя собранные данные, ученые смогли при помощи непростого алгоритма восстановить трехмерную структуру потоков, создаваемых хвостом рыбы. В результате выяснилось, что, возникающие в результате движения хвоста завихрения, в том числе, поддерживают акулу на плаву.

В 2005 году биолог из Гарварда Брук Флэменг обнаружила, что в хвосте акулы есть мышца, которая не влияет на само движение хвоста из стороны в сторону, однако активно работает именно в процессе плавания. Тогда же Флэменг высказала гипотезу, что мышца отвечает за изменение свойств хвоста во время движения - в частности, его жесткости. Проверить это предположение на практике, однако, ученые смогли только сейчас - соответствующая статья появилась в журнале Proceedings of the Royal Society B.

В рамках новой технологии биологи (среди которых была Флэменг) использовали хорошо известную физикам технологию, которая, впрочем, до этого ни разу не применялась в биологии. Речь идет о более точном восстановлении структуры потока с использованием трех камер, а не двух. Сами потоки создавались рыбами, помещенными в аквариум с проточной водой (из-за тока рыбы плыли, оставаясь на месте, что очень удобно для съемки).

До этого исследования ученые предполагали, что за одно движение хвоста акула формирует сразу два завихрения - одно большое и одно маленькое. Таким образом вихревой след, создаваемый рыбой, состоит из двух множеств завихрений. Тестирование данного предположения на механической модели акульего хвоста показало, что след получается, какой нужно. Трехмерный анализ, однако, позволил обнаружить, что возникающие в результате работы завихрения связаны между собой (создаваемые токи жидкости "переплетаются"), а вихревой след представляет собой множество таких попарных завихрений.

Из этого немедленно вытекает, что механическая модель хвоста чего-то не учитывает - по мнению биологов, конечно же, изменяющуюся жесткость плавника при движении. При этом, правда, ученые пока не могут сказать, какие именно преимущества дает именно подобная работа хвостом - они предполагают, что такое движение обеспечивает почти непрерывную тягу, заставляя акулу ровно двигаться сквозь толщу воды.

Немного о полете

Не менее классическим вопросом биомеханики, чем предыдущий, является вопрос описания полета. Со стороны, конечно, может показаться, что все что летает, делает это просто размахивая крыльями. Однако, как показывают полученные в последние годы результаты, сам процесс размахивания у разных живых существ может заметно отличаться.

Мы поговорим о полете голубей, а точнее, о том, как они поворачивают во время этого самого полета. Не вдаваясь в подробности, поворот во время полета бывает двух типов. Первый связан с изменением направления вектора тяги, создаваемого крыльями птицы (направление рассматривается в системе координат, связанной с телом голубя), в то время как при втором направление этого самого вектора не меняется.

В конце ноября 2011 года в Proceedings of the National Academy of Sciences появилась статья, авторы которой сравнивали полет голубя с полетом вертолета (под вертолетным типом поворота ученые понимали второй из описанных выше типов). В рамках работы ученые снимали на высокоскоростную камеру полет голубя вида Columba livia. Птицу поместили в ограниченное пространство обычного гаража, заставив во время полета постоянно поворачивать.

После этого они моделировали аэродинамику движения птицы, используя видео, а также известное распределение массы голубя как твердого тела (не смотря на то, что он покрыт перьями и, вообще говоря, довольно мягкий). Оказалось, что направление силы, действующей на C. livia, относительно тела птицы не меняется. Сами исследователи сравнивают движение птицы с вертолетом. Посмотреть, как работает вертолет во время движения можно чуть ниже

Несколько слов о прыжках лягушек

Еще одним недавним результатом является прояснение вопроса, касающегося прыгания лягушек. Дело в том, что во время этого процесса лягушки испытывают огромные ускорения - одни из самых высоких среди позвоночных. Вместе с тем механизм возникновения такого ускорения до последнего времени не был до конца понятен.

В середине ноября 2011 года в журнале Biology Letters появилась статья ученых из университета Брауна. В работе описывались результаты наблюдений прыжков леопардовой лягушки Rana pipiens. При этом, главной особенностью проведенных исследований стало то, что ученые наблюдали непосредственно за работой суставов и сухожилий. Добиться этого удалось благодаря использованию высокоскоростной (500 кадров в секунду) рентгеновской камеры, а также металлических шариков, которые были имплантированы в лапы лягушек.

Раньше ученым было известно, что одной энергии мышц для прыжка недостаточно. Если быть точным, то она не дает и четверти нужной для прыжка. Как оказалось, дополнительная энергия запасается в сухожилиях. Перед прыжком они натягиваются (когда напрягаются мышцы), а во время прыжка высвобождаются. В результате уже на первом этапе угловая скорость суставов получается достаточно высокой. По словам ученых, этот механизм напоминает катапульту.

Вместо заключения

Конечно, описанные вопросы не охватывают и тысячной доли проблематики биомеханики. Вместе с тем, общее представление о том, какого рода результаты ученые получают на сегодняшнем этапе развития этой науки, получить можно. Важно, однако, не это, а то, что дело Аристотеля, заложившего основы этой науки в трудах "Части движения и перемещение животных" продолжает жить.