Борис Сергеев - Мир лесных дебрей
Среди ветвей очень важно уметь прыгать. Многие аборигены верхних этажей леса охотно пользуются этим способом передвижения. Большинство способно стремительно передвигаться в кронах деревьев, однако им чаще, чем жителям первого этажа, приходится прыгать с места без предварительного разбега. Та же белка, если ей не угрожает мгновенная опасность, прежде чем совершить длинный прыжок с одного дерева на другое, приостанавливается на конце ветви, а значит, гасит кинетическую энергию, накопленную в процессе движения. Чем быстрее бежит животное, тем дальше оно может прыгнуть, а в некоторых случаях кинетическая энергия разбега может использоваться для прыжка в высоту. Однако точных данных о скорости передвижения в верхних этажах леса чрезвычайно мало, поэтому остановимся только на прыжках с места.
Теоретические расчеты показывают, что животные со сходной конструкцией тела, если у них все размеры увеличиваются в одинаковой пропорции, должны прыгать с места на одинаковую высоту. Иными словами, величина прыжка не зависит от размеров животных. Измерение высоты прыжков показало достаточно большое совпадение теоретических предсказаний с их реальной величиной. Вот несколько цифр, характеризующих «прыгучесть»:
Блоха весом в 0,5 мг прыгает вверх на 20 см
Жук-щелкун » 40 мг » 30 см
Саранча » 3 г » 60 см
Человек » 70 кг » 60 см
Лемур-галаго » 200 г. » 225 см
Пусть читателя не удивляет величина, указанная для человека. Здесь, во-первых, имеется в виду не чемпион по прыжкам, у которого масса соответствующих мышц больше, чем у среднего человека того же веса. А во-вторых, приведенные здесь цифры характеризуют лишь перемещение центра тяжести. У стоящего человека он находится примерно на высоте 1 метра от поверхности земли. Следовательно, при прыжке на высоту 160 сантиметров (согласитесь, что это неплохо и человеку специально не тренированному совершенно недоступно) его центр тяжести поднимется всего на 60 сантиметров.
Приведенные данные показывают, что у животных, которые по массе тела отличаются друг от друга в 100 миллионов раз, высота прыжков изменяется лишь в 10 раз! А если изъять из этого ряда галаго, которого называют чемпионом по прыжкам в высоту, различия будут еще меньше.
Причина различий легко объяснима. Мелким и мельчайшим животным прыгать мешает маленький рост, слишком большая поверхность тела в сравнении с их объемом. Поэтому сопротивление воздуха для них оказывается очень велико, и никакие манипуляции по изменению формы тела не могли бы его существенно снизить. У блохи оно поглощает 3/4 энергии прыжка, а у крупного кузнечика значительно меньше, всего лишь 1/4. Для галаго потеря равняется всего 3 процентам, а для более крупных существ, в том числе человека, столь мала, что не оказывает влияния на высоту прыжка.
Способность галаго совершать гигантские прыжки объясняется очень совершенной конструкцией его конечностей, построенных в расчете на передвижение прыжками, и значительной массой мышц, обеспечивающих движение задних конечностей. Она у них примерно в два раза больше, чем у других позвоночных. Кроме сопротивления воздуха, мелкие и мельчайшие существа сталкиваются и с другими трудностями. Высота прыжка в итоге определяется скоростью отрыва животного от субстрата, иными словами, скоростью, которую тело животного успевает набрать к тому моменту, когда его конечности потеряют контакт с опорой. Лапы животного — система рычагов. Перед прыжком они складываются, а в момент прыжка распрямляются, отталкивая тело от земли. Именно в этот момент животное и приобретает необходимую для прыжка скорость.
Независимо от размера для достижения одинаковой высоты животные должны иметь одинаковую скорость. Путь, который проходит тело животного в процессе разгона, зависит от размеров конечностей: чем они меньше, тем путь короче. Значит, пройдя крохотную дистанцию длиною меньше 1 миллиметра, тело блохи всего за 1 миллисекунду должно приобрести такую же скорость, как тело человека, прошедшее до прыжка значительный путь, и следовательно, двигаться в этот короткий миг с гораздо большим ускорением, чем человек.
Мышцы насекомых не способны сокращаться с такой колоссальной скоростью. Поэтому прыгучесть блохи долгое время вызывала недоумение. Теперь механизм ее прыжка изучен достаточно хорошо. Она взмывает вверх не за счет непосредственного сокращения своих мышц, а благодаря высвобождению заранее накопленной энергии.
В теле насекомых и других членистоногих животных встречается очень интересный белок — резилин. Он подобно резине обладает очень высокой упругостью, превосходя в этом отношении лучшие ее сорта. В честь нее белок и получил свое название. Его резильянс (все от того же корня), то есть коэффициент полезного действия, — 97 процентов. Это очень много. Только 3 процента энергии теряется в виде тепла. Даже резильянс лучших сортов резины не превышает 91 процента. Если резилин на несколько недель оставить в растянутом состоянии, он при этом не потеряет способности мгновенно восстановить первоначальный размер. Можно 50 раз в секунду растягивать кусочек резилина, и он каждый раз, мгновенно сокращаясь, будет отдавать 97 процентов энергии, затраченной на его растяжение!
Однако вернемся к блохе. У основания ее задних конечностей лежат эластичные подушечки, состоящие из уже известного нам резилина. Готовясь к прыжку, блоха поднимает задние ноги и сжимает резилин. Затем, как при спуске ружейного курка, специальный механизм освобождает ноги, и, приобретая большую скорость за счет упругой силы резилина, они отталкивают блоху от земли, и та стремительно взлетает вверх. Резилин, мгновенно распрямляясь, способен развить гораздо большую мощность, чем мышцы, которые, действуя медленнее, вызвали его сжатие. Точно так же катапульта, заряжаемая усилием одного человека, развивает мощность значительно большую, чем ее владелец.
Таким образом, жесткие физические закономерности однозначно определяют, кто из животных может обитать в кронах деревьев, и предписывают им определенные правила поведения, во всяком случае, в сфере двигательной активности.
АЛЬПИНИСТЫ
Лес — многоэтажный дом. Большинство его обитателей пользуются если не всеми, то, во всяком случае, несколькими этажами. Для этого им пришлось овладеть техникой передвижения в вертикальном и горизонтальном направлениях. Поскольку для перемещения с этажа на этаж здесь не предусмотрены удобные лестницы и тем более лифты, лесным жителям поневоле пришлось обзавестись альпинистским снаряжением. Не меньшие трудности они испытывают, если необходимо совершить прогулку в пределах своего этажа. Тут тоже приходится идти на риск, ведь живут они нередко на головокружительной высоте. И в этом случае альпинистское снаряжение находит применение, обеспечивая некоторую страховку и предохраняя от падения.
Кроме приспособлений, дающих возможность карабкаться вверх и спускаться вниз, надежно цепляясь за ветви или древесные стволы, верхолазам необходимы приспособления, позволяющие балансировать на горизонтальной ветке, перепрыгивать с дерева на дерево, принимать любое положение, не опасаясь головокружения и не страшась высоты. Здесь помогает лишь совершеннейшая координация движений и развитый вестибулярный аппарат, оперативно и с большой точностью информирующий мозг о положении животного в пространстве, о направлении его движения. Ведь передвигаться приходится в условиях ограниченной видимости или даже в полной темноте.
Верхолазам важно очень точно оценить свою линейную и угловую скорость, без чего невозможно выполнение сложных акробатических трюков. На основе этой информации быстродействующие двигательные центры мозга, работающие в автоматическом режиме, формируют команды мышечному аппарату, обеспечивая стремительное и безаварийное движение в хаосе ветвей и стволов.
Верхолазы пользуются двумя способами передвижения по своему многоэтажному дому. Одни — настоящие альпинисты, способные взбираться по вертикальным стволам, и их не останавливает даже абсолютно гладкая кора, по которой животные умеют двигаться в любом направлении. Другая часть древесных животных является собственно лазающими в традиционном понимании этого слова. При перемещении в верхних этажах леса они пользуются «руками» или различными видами устройств, позволяющих обхватывать ветви или даже стволы деревьев и надежно за них держаться.
Если высотники и снабжены дополнительными приспособлениями вроде острых когтей или чего-нибудь еще, то такое альпинистское снаряжение хотя и увеличивает надежность сцепления, но, безусловно, не является главным приспособлением верхолаза.
Типичный пример хватательного устройства — пятипалая рука человека. Между прочим, при высоких скоростях передвижения животным, пользующимся захватами, альпинистское снаряжение может только помешать, не позволяя быстро и без помех отцепляться от субстрата, и самые квалифицированные лазальщики избавились от дополнительных приспособлений. Вот чему мы обязаны появлением ногтей вместо традиционных когтей, обычных для подавляющего большинства млекопитающих, у которых есть пальцы.
