Размер имеет значение

Размер, как всегда, определяет многое. Чем крупнее животное, тем труднее ему бежать. Происходит это потому, что сила мышц возрастает пропорционально квадрату сечения. Однако масса тела при этом растет пропорционально кубу длины. Увеличьте длину тела животного вдвое, и его вес увеличится в восемь раз, но мышечная сила при этом вырастет всего в четыре раза. Кроме того, при увеличении размеров корпуса труднее становится двигать конечностями, а у самых крупногабаритных тело будет трудно поддерживать даже в покое. Именно этот фактор ограничивает размеры сухопутных животных (морские, в отличие от них, могут вырастать и крупнее – как, например, синий кит, поскольку вода забирает часть веса на себя).

Широко известно, что блохи и кузнечики могут прыгать на высоту, более чем в 50 раз превышающую длину их тела. Для человека это означало бы подпрыгнуть с места на 100 м вверх. Мировой рекорд по прыжкам в высоту гораздо скромнее – всего 2,45 м, а если прыгать с места, то даже ведущий спортсмен возьмет максимум 1,6 м. Как же удается совершать такие немыслимые прыжки кузнечикам и блохам? Дело всего-навсего в размерах – крупное животное физически неспособно подпрыгнуть на такую же высоту относительно размеров своего тела, как мелкое. Ведь согласно физическим законам похожие животные должны достигать в прыжке одной и той же высотной отметки, независимо от размеров тела.

Чтобы понять, почему дело обстоит так, необходимо вспомнить, что мышцы человека и насекомого развивают одинаковую силу на площадь поперечного сечения и что сила мышцы определяется именно этой величиной. Масса (или объем) тела животного возрастает пропорционально кубу длины, тогда как площадь поперечного сечения мышцы растет всего лишь пропорционально квадрату длины. Отсюда следует, что относительно массы тела у более крупного животного сил для прыжка окажется меньше. Крупное животное может слегка повысить свою прыгучесть, увеличив долю массы, которая приходится на прыжковые мышцы. Именно так происходит у сенегальского галаго, относящегося к мелким тропическим приматам. В относительных цифрах его мышечная масса в два раза превышает человеческую. Поэтому галаго может с места подпрыгнуть на 2,2 м – примерно в три раза выше, чем человек (рекорд по прыжкам в высоту с места составляет 1,6 м, но оттуда нужно вычесть еще примерно метр, поскольку именно на такой высоте располагается центр тяжести у человека). Тем не менее очевидно, что мышцы могут занять лишь часть общей массы животного, поэтому описанный выше выход не панацея.

За гранью возможного

Блохи славятся не только высотой, но и скоростью прыжка. Среднее ускорение, которое развивает блоха после отрыва от поверхности, составляет более 1350 м / с, что примерно равно двухсоткратной перегрузке. Мускулы с такой скоростью сокращаться не могут. Как же блохе это удается?

Как выясняется, у блохи имеется встроенная катапульта, которая долго накапливает энергию, затем очень быстро ее высвобождает. В подошве задних ног у блохи содержится эластичное упругое вещество под названием резилин. Когда блоха находится в покое, сокращающиеся мышцы постепенно сжимают резилин, приподнимая ногу в воздух. Блоха «напружинивается» для прыжка. И когда приводится в действие спусковой механизм, резилин моментально распрямляется, нога рывком опускается на поверхность, и блоха «выстреливает», как из катапульты.

Летательные мышцы некоторых насекомых тоже бьют все рекорды. Каждое сокращение мышцы у млекопитающих вызывается единственным нервным импульсом. Однако частота сокращений у летательных мышц насекомых гораздо выше, чем скорость передачи нервных сигналов. Например, мошкара, отравляющая теплые летние сумерки на природе, трепещет крыльями более 1000 раз в секунду, издавая тот самый надрывный писк, который терзает наши уши. Эта частота сокращений в сорок с лишним раз превышает частоту сокращений быстрых человеческих мышц.

Таких немыслимых результатов насекомым помогает до– биться резонанс. Летательные мышцы, как выясняется, чувствительны к натяжению – если мышцу растянуть, она сократится, если отпустить, она расслабится. Торакс насекомого – та часть тела, к которой крепятся крылья, – это жесткий корпус, содержащий два типа летательных мышц. Одни поднимают крылья, вторые – опускают. Как ни удивительно, летательные мышцы не соединяются непосредственно с крыльями, а закреплены на стенках торакса. Движение крыльев, прикрепленных к крышке торакса, производится опосредованно, изменением формы самого корпуса.

Торакс, по сути, представляет собой резонатор, который по очереди тянет то поднимающие, то опускающие мышцы, заставляя сокращаться сперва одни, потом другие. Когда сокращаются поднимающие мышцы, крышка торакса утапливается, фиксируясь в новой позиции и заставляя крылья подняться. Но при этом торакс натягивает опускающие мышцы, вызывая их сокращение и одновременно снимая напряжение с поднимающих мышц, поэтому они расслабляются. Сама крышка торакса при этом резко возвращается в изначальное положение, и крылья опускаются. Тогда, разумеется, снова натягиваются и сокращаются поднимающие мышцы и одновременно расслабляются опускающие. Цикл повторяется заново. То есть крышка торакса движется туда-сюда, опуская и поднимая крылья.

Поскольку для смещения торакса достаточно крошечного сокращения мышцы, происходит это в доли секунды. А учитывая, что летательные мышцы стимулируются натяжением, а не нервными импульсами, они сокращаются быстрее, чем распространяются сигналы по нервам. Именно поэтому насекомым и удается «бить рекорды».

Мелкие животные, кроме всего прочего, обладают иногда непропорционально огромной силой. Жук-навозник катит огромный навозный шар, на фоне которого он сам просто теряется, а муравей-листорез с легкостью тащит лист-парус весом больше его самого. Человеку такая ноша показалась бы неподъемной. Невиданная сила муравья объясняется опять-таки размерами. Мышцы у муравья не мощнее человеческих, но кажутся гораздо более мощными, поскольку сила, которую они развивают относительно массы тела, возрастает по мере уменьшения животного в размерах. Так что относительная сила – это тоже вопрос масштаба.