Возможности и ограничения

Лесные животные, впрочем, как и другие сухопутные позвоночные, весьма разнообразны. Между коротконогой землеройкой и длинноногим окапи на первый взгляд нет ничего общего. Между тем, несмотря на кажущиеся различия, все они подчиняются общей закономерности: средняя длина костей их конечностей равна массе тела в степени 0,35. Совершенно очевидно, что если у землеройки короткие ноги, то ей, чтобы пробежать одинаковое с окапи расстояние, придется сделать гораздо больше шагов. Их количество обратно пропорционально массе или длине тела животного тоже в степени 0,35.

Теперь попробуем взглянуть на перемещение животных с энергетической точки зрения. Что выгоднее, быть большим или маленьким? Элементарные расчеты показывают, что затраты энергии на каждый шаг животного прямо пропорциональны его массе. Это значит, что при каждом шаге на перемещение 1 килограмма веса тела животные, независимо от размеров, затрачивают примерно равное количество энергии. Однако если мелкому зверьку приходится сделать 10 шагов там, где крупное шагнет лишь раз, ему, чтобы переместить 1 килограмм своего веса, придется затратить в 10 раз больше энергии, чем крупному. Выходит, что большим существам перемещение в пространстве обходится дешевле, чем мелким. С этой точки зрения выгоднее быть гигантом, как окапи, чем таким пигмеем, как землеройка.

Таковы закономерности передвижения по горизонтальной плоскости. Однако в зарослях животные, исключая самых крохотных, не могут развивать максимальную скорость. Обычно их ежедневные перемещения в первом лесном этаже невелики, поэтому нет необходимости быть особенно хорошими ходоками или бегунами-стайерами. Развивать значительную скорость на коротком отрезке пути - это куда ни шло, это вполне может пригодиться, но бег на длинные дистанции - удел жителей открытых равнин.

Коренным обитателям леса гораздо важнее умение перемещаться с этажа на этаж и точная оценка, во что могут обойтись подобные прогулки. И здесь закономерности прямо противоположны тем, которые наблюдаются при перемещении по горизонтали.

При беге в гору, тем более при вертикальном подъеме, животным приходится совершать дополнительную работу. При этом они накапливают потенциальную энергию, равную произведению своего веса на величину подъема. Исходя из физических закономерностей, очевидно, что работа по подъему 1 килограмма веса тела на 1 метр будет одинаковой для любого животного. 1 килограммометр потенциальной энергии эквивалентен 2,34 калории, по так как эффективность работы мышц равна всего лишь 25 процентам, фактически это животным обходится в 9 калорий. Для мышонка, весящего 4 грамма, у которого и без того из-за малых размеров расход энергии велик и составляет при полном покое примерно 2 калории в минуту, а во время движения резко возрастает, дополнительные расходы при подъеме на высоту одного метра теоретически должны составить всего 0,036 калории.

Наблюдения за лазающими животными показали, что действительно при подъеме вверх расход энергии у мышей увеличивается всего на 20-25 процентов. У обезьяны весом около 20 килограммов возрастает почти вдвое, а у крупного бурого медведя, который в покое на 1 грамм своего тела тратит в 70-80 раз меньше энергии, чем мышь, 6000-6500 дополнительных калорий, необходимых при движении по вертикали, приводит к увеличению расхода энергии на 500-600 процентов.

Таким образом, мелким животным выгоднее быть верхолазами, чем крупным. Пристрастие к древесному образу жизни обходится рыси или леопарду значительно дороже, чем кунице или белке. Вот почему эти зверьки чувствуют себя на деревьях так уверенно, особенно белки, с одинаковой легкостью спускающиеся и поднимающиеся по вертикали или двигающиеся по спирали вокруг ствола.

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":

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.