Размеры животных. Почему они так важны - Шмидт-Ниельсен К.
Скачать (прямая ссылка):
(ha), м <Wk>
Блоха 0,3 мг 0,53 0,27
Кузнечик 440 мг 1,48 0,74
Г алаго 200 г 1,93 0,97
Кузнечик с массой тела 440 мг и эффективностью прыжка 0,74 расходует на сопротивления воздуха только энергии, затрачиваемой на прыжок. У галаго (небольшой полуобезьяны), являющегося, видимо, мировым рекордсменом по прыжкам, так как с места он может прыгнуть вертикально вверх на 2 м, эффективность прыжка составляет 0,97. Другими словами, на преодоление сопротивления воздуха у него уходит только 3% энергии, необходимой для прыжка. У более крупных животных сопротивление воздуха при прыжке практически не играет никакой роли.
Почему галаго с места может прыгнуть выше, чем спортсмен? В хорошо контролируемых условиях галаго прыгал на 2,25 м (Hall-Craggs, 1965). Маловероятно, что его мышцы развивают большую силу на 1 см2 поперечного сечеиия, чем у других животных, и такие высокие показатели можно объяс-
нить только большей массой мышц, вовлекаемых в прыжок (больше энергии для сокращения при отрыве), и, возможно, более удачной механической структурой конечностей.
У галаго мышцы, вовлекаемые в прыжок, действительно велики и составляют около 10% массы тела (Alexander, 1968); это вдвое больше, чем у человека. Если суммарно все механические приспособления у этого животного, высокоспециализированного в отношении прыжков, могут обеспечить 50% его показателей, то это в комбинации с удвоенной массой мышц может объяснить 3-кратное превышение показателей для галаго по сравнению с показателями для человека. Поскольку речь идет о прыжке с места, это производит большее впечатление, чем прыжок блохи. Однако следует помнить, что галаго — это высокоадаптированное теплокровное животное, совершающее большие прыжки в естественных условиях обитания.
Запасание упругой энергии
На высоту прыжка накладывается ограничение, которое у мелких животных можно преодолеть только в результате изменения конструкции, с помощью которой осуществляется прыжок. Рассуждение несложно: чем мельче животное, тем короче расстояние, на котором оно развивает соответствующее ускорение (табл. 14.2). Для достижения необходимой скорости при отрыве, которая теоретически должна быть такой же, как у крупного животного, телу мелкого животного необходимо придать значительно большее ускорение. Время, за которое должен произойти отрыв, очень невелико (табл. 14.2), и мышцы не могут сокращаться так быстро.
Блоха развивает ускорение на расстоянии меньше 1 мм, а время отрыва меньше 1 мс. Среднее ускорение во время отталкивания от земли должно, следовательно, превышать 200g. Следует на минуту задуматься, что означает подобное ускорение? Оно означает, что на животное действует сила, в 200 раз превышающая его вес (любое млекопитающее было бы полностью раздавлено такой силой), а скелет и внутренние органы насекомого должны переносить такие ускорения.
Если блоха для развития ускорения использовала бы только силу сокращения мышц, то она не могла бы прыгнуть совсем. Проблема решается использованием принципа катапульты. Энергия запасается в эластичном веществе — резилине, расположенном в основании задних конечностей. Мышцы сжимают резилин, который, будучи каучукоподобным веществом, при включении спускового механизма отдает энергию почти со 100%-ной эффективностью. Упругая отдача очень похожа на принцип работы рогатки и дает блохе необходимое большое
ускорение. Принцип запасания энергии в упругой системе используется для прыжков и у других мелких животных, например у жука-щелкуна. У более крупных животных, таких, как млекопитающие, необходимое ускорение сообщается непосредственно мышечным сокращением, поскольку время отрыва у них достаточно велико.
Анализ принципов осуществления прыжка у разных животных дает превосходный пример положительных сторон и ограниченности рассуждений о влиянии размеров. Простые рассуждения приводят нас к тому, что все животные независимо от их размеров должны быть способными прыгнуть на одну и ту же высоту. Для более мелких животных ограничением является сопротивление воздуха, поскольку у них велико отношение площади поверхности тела к его массе. При бездумном применении соображений о влиянии размеров можно, однако, не заметить ограничений, накладываемых возможностями конструкции и выявляющихся у очень мелких животных. Без реконструкции механизма прыжка, в настоящем случае с использованием запасания упругой энергии, прыжок блохи был бы невозможен.
15. Плавание и полет
У бегающих по земле животных под ногами твердая опора. Животные, которые плавают или летают, перемещаются в жидкой среде и не имеют твердой опоры. Их поддерживает та среда, в которой они движутся. Плотность рыб близка к плотности воды, а энергия, которую они тратят на перемещение, идет на преодоление сопротивления среды. Летящая птица также должна преодолевать сопротивление среды, но, помимо этого, она должна удерживаться в воздухе и не падать на землю, т. е. она должна развивать подъемную силу, равную весу ее тела.
