Как животные двигаются

Локомоция

У всех животных в активном движении участвуют одни и те же органы: скелет и мышцы. Однако способы перемещения у разных животных невероятно разнообразны: от полёта колибри до рытья тоннелей кротами. Активное перемещение животных в пространстве называется локомо́цией.

Локомоция животных тесно связана с их метаболизмом – скоростью обмена веществ. Так, гепард во время бега развивает скорость до 110 км/ч, но такая скорость требует огромных затрат энергии. Уже через 30 секунд такого спринта гепард начинает перегреваться и задыхаться.

У теплокровных животных (с постоянной температурой тела) мышцы всегда прогреты и в любой момент готовы к движению. Хладнокровным животным при низких температурах окружающей среды приходится «замедляться» или идти на ухищрения. Например, некоторые бабочки «дрожанием» прогревают мышцы для взлёта.

Движение животных происходит в четырех различных средах: наземной, воздушной, водной и подземной.

В каждой среде действуют свои физические законы и ограничения. Бегающие по земле и летающие в воздухе животные ощущают силу гравитации, которую приходится преодолевать. В водной и подземной средах животным при движении приходится преодолевать силы трения.

Для преодоления одного и того же расстояния в разных средах тратится разное количество энергии. Посмотрите на диаграмму. Чтобы преодолеть совсем небольшое расстояние, крот должен потратить огромное количество энергии. Однако такие затраты компенсируются безопасностью – под землей у кротов нет врагов.

Какие выводы можно сделать, сравнив пройденное расстояние и затраты энергии летучей и обыкновенной мыши?

Передвижение – энергозатратный процесс. Поэтому животные прибегают к различным уловкам для экономии энергии. Например, птицы парят при попутном ветре, а морские жители плывут в попутном течении.

«Паук-колесо» использует эффективный способ спасения от врагов. Паук скручивает ноги в форме колеса и скатывается по песчаной дюне, используя силу гравитации.

Спинной плавник рыбы-прилипалы изменился в присоску. Эта рыба с помощью присоски прикрепляется к рыбе побольше и путешествует вместе с ней на большие расстояния. Такое «пассивное» движение сохраняет рыбе-прилипале немало энергии.

Бег и ходьба

Большинство животных перемещается по земле при помощи ног.

Количество ног у животных различается. Большинство наземных позвоночных – четвероногие. В ходе эволюции у некоторых четвероногих передние конечности изменились в крылья, ласты или руки, поэтому для ходьбы они стали использовать только две задние конечности. У насекомых обычно шесть ног, а у паукообразных – восемь. Самое большое количество ног у многоножек – до 750!

Не все животные используют ноги для движения только вперед. Так, крабы, почуяв опасность, бегут боком. Это связано с тем, что эволюция крабов проходила в узких пространствах между камнями и расщелинами. В результате этого ноги крабов развернулись в стороны.

У наземных животных, которые часть времени проводят в воде, конечности адаптировались к плаванью. Между пальцами натянута перепонка, что делает конечность похожей на ласты. Такие конечности встречаются у выдр и выхухолей, альбатросов и уток, а также у многих земноводных. Такой компромисс между ластами и «наземной» ступней позволяет животному одинаково хорошо маневрировать в воде и спасаться от хищников на земле.

С другой стороны, изначально водные амфибии могут утрачивать перепонки между пальцами. Так, у древесных лягушек перепонки полностью отсутствуют.

Акробаты и прыгуны

Скалолазам и жителям деревьев не нужна быстрая скорость. Они полагаются на цепкость и точную координацию движений. Некоторые акробаты удерживают вес своего тела при помощи двух или даже одной конечности. Как им это удаётся?

Гекконы удерживаются лапами на абсолютно гладкой поверхности. Их секрет – «шершавые» пальцы, состоящие из миллиардов микроскопических волосинок. Волосинки сцепляются с крошечными неровностями, которые есть даже на гладком стекле.

Горные козлы и бараны – ещё один пример удивительных альпинистов. Их копыто покрыто мягкой подушкой, которая принимает форму скалы и прилипает к ней.

Вершины в акробатическом мастерстве достигли приматы, особенно гиббоны, которые 80% времени передвигаются за счет рук. Такой способ перемещения называется брахиа́цией.

Длинные ладони, крючковатые мощные руки, мускулистые плечи и гибкие суставы – необходимые приспособления гиббонов для передвижения только с помощью рук. При брахиации, гиббон раскачивает тело и движется маятникообразными скачками.

Некоторые виды приматов научились использовать хвост как пятую конечность. Они повисают на ней или хватают хвостом спелые фрукты.

К прыгунам относят зайцев, кенгуру, лягушек, блох и кузнечиков. У этих животных задние прыгательные конечности крупнее и массивнее передних.

При помощи прыжков животные «упрыгивают» от опасности, преодолевают препятствия или показывают свою выносливость. Жители пустыни часто передвигаются прыжками – это эффективный способ преодолеть мягкий сыпучий песок. Некоторые приматы, например сифаки, настолько привыкли прыгать по деревьям, что по земле тоже перемещаются прыжками. Сифаки поднимают руки вверх для баланса и совершают забавные боковые прыжки.

Импалы и газели прыгают вертикально вверх – для передвижения такие прыжки не годятся. Таким способом копытные показывают хищникам свою превосходную физическую форму, словно говоря: «Тебе за мной не угнаться».

В прыжке участвуют не только мышцы, но и связки, и сухожилия. Когда связки и сухожилия растягиваются при подготовке к прыжку, они накапливают энергию, подобно тетиве лука. Затем во время прыжка связки передают свою энергию прыгательным мышцам. Когда кенгуру приземляется после прыжка, его сухожилия и связки растягиваются, подготавливая и запасая энергию для следующего прыжка.

У насекомых нет типичных для позвоночных связок или сухожилий, но в их конечностях имеется эластичный белок резилин. Абсолютными чемпионами в прыжках считаются блохи – длина прыжка в 170 раз превышает длину их тела. Не менее причудливые акробатические трюки выполняют земляные блохи. Прыгают они при помощи хвостовой ноги-вилки. 

Ползуны и копатели

Рытьё нор и ползанье по земле на первый взгляд не имеют ничего общего, однако в обоих случаях животные находятся в тесном контакте с поверхностью земли, в результате чего на передвижение приходится тратить много энергии (чтобы преодолеть трение).

Движение под землей – самый медленный способ перемещения. Животные должны одновременно заниматься копкой и предотвращать осыпание туннеля. За день кроты своими лапами-лопатами прокапывают всего 20 метров. Но несмотря на все сложности, подземная жизнь обеспечивает безопасность: землекопам не страшны большинство хищников и резкие изменения погоды, а корни растений служат хорошим источником пищи.

К типичным ползающим животным относят змей, улиток и слизней. Передвижение улиток и слизней происходит за счет волнообразных движений ноги, незаметных невооруженным глазом. Помогает улитке выделяемая слизь – благодаря ей животное «цепляется» за поверхность. На наклонной поверхности выделяется более клейкая слизь. Улитки «славятся» своей медлительностью. Один километр улитка проползает за неделю!

В отличие от других наземных позвоночных, у змей нет точки опоры от которой можно было бы оттолкнуться. Вместо этого змеи обладают сложной системой мышц, которые позволяют им ползать четырьмя различными способами, и в зависимости от типа местности змея меняет стиль движения.

Полёт

Независимо друг от друга полёт освоили три группы животных: насекомые, птицы и летучие мыши. Насекомые были первыми, кто покорил воздушное пространство, и они до сих пор лидируют по разнообразию летательных техник. Большинство летающих насекомых – четырёхкрылые – бабочки, стрекозы, пчёлы и осы. Две пары крыльев позволяют ловко маневрировать в воздушном потоке. Например, стрекозы умеют резко останавливаться и «зависать» на одном месте. У мух и комаров задние крылья уменьшились и служат стабилизаторами.

Крылья насекомых вращаются с огромной скоростью: муха делает 300 взмахов крыла в секунду, пчела – 400, а комар – 500 взмахов в секунду (для сравнения – колибри совершает 50 взмахов).

С древних времен человек наблюдал за полётом птиц и пытался воспроизвести птичье крыло. Но до конструкторского мастерства природы нам ещё далеко.

Изогнутая форма крыла создаёт необходимую для полёта подъёмную силу, которая противодействует гравитации. Взмахи крыльями, изменение угла наклона крыла и направления перьев совершаются при помощи мышц. Складывая или распрямляя маховые перья, птица маневрирует и меняет скорость полёта.

Скорость и выносливость птиц в полёте поражают. Например, сапсаны в пикирующем полёте развивают скорость до 320 км\ч, а небольшая птичка дупель способна пролететь до 6,5 тысяч километров со скоростью 100 км\ч!

Летающие лягушки, летучие ящерицы-драконы, белки-летяги и летучие рыбы – несмотря на название, все эти животные не являются «настоящими» летунами. Они не могут постоянно оставаться в воздухе и набирать высоту собственными силами, а их «полет» больше похож на контролируемое падение. Эти необычные животные используют различные части тела с большой площадью поверхности, похожие на парашюты. Некоторые из них способны замедлять или ускорять скорость падения, а также изменять направление.

Превосходным искусством в планировании обладают шерстокрылы, обитающие в Индонезии. Они «пролетают» до 100 метров, приземляясь с удивительной точностью.

Пловцы

Плаванье похоже на полёт: и там и там животные проталкиваются через текучие среды при помощи широких плавников или крыльев. Однако вода в тысячу раз плотнее воздуха, что создаёт свои сложности и преимущества. Водные животные частично поддерживаются жидкостью на плаву, поэтому не требуется мощная мускулатура, которая необходима для полёта.

Изменение глубины – главная задача, которую приходится решать водным существам. Многие костные рыбы регулируют плавучесть при помощи плавательного пузыря, тунец и скумбрия, как и хрящевы́е рыбы, меняют глубину мощными плавниками.

У головоногих моллюсков раковина содержит пустоты. Выпуская или собирая воздух в пустотах, моллюск меняет глубину погружения.

Амфибии, рептилии, птицы и млекопитающие плавают при помощи конечностей. Тюлени волнообразно изгибают тело, «хлопая» по воде задними широкими перепончатыми ластами. Морские львы в бо́льшей степени задействуют передние ласты. У пингвинов ласты образованы плотными, твердыми костями – под водой пингвин словно «летит». Подобным образом используют свои ласты морские черепахи, развивая под водой скорость до 30 км/ч.

Хвостовой плавник водных млекопитающих – китов и дельфинов – не похож на рыбий. Он горизонтальной формы и лишен костей. Брюшной и спинной плавники китообразных относятся к кожным выростам, содержащим хрящевую ткань.

Головоногие моллюски (осьминоги, кальмары, каракатицы) и некоторые медузы движутся в толще воды за счет реактивного движения. Мышцы кальмара расслабляются, втягивая воду в мантийную полость. Затем мощные мышцы быстро сокращаются, резко выбрасывая  воду через воронкообразный клапан – сифон. К реактивному движению головоногие прибегают, если им грозит опасность. В спокойном состоянии они плавают при помощи боковых плавников.Некоторые животные приспособились жить не под водой, а на её поверхности. Например, лапки водомерки покрыты особыми волосками, отталкивающими воду. Такое ненамокаемое покрытие позволяет водомерке скользить по воде.

Изучение локомоции

Какую пользу могут принести знания о механизмах движения животных?

Ещё Леонардо да Винчи, наблюдая за птицами, пытался скопировать их полёт и создать летательный аппарат. Подсматривая за природой, мы часто находим готовые решения различных инженерных задач.

Наука бионика конструирует роботов, используя законы движения животного мира. Радиоуправляемые тараканы, механические гекконы, дроны-стрекозы, четвероногие собаки-роботы – лишь некоторые примеры удивительных разработок. Сегодня эти роботы немного неуклюжи, но в будущем именно они помогут человечеству в освоении недружелюбного космического пространства.