Кенгуру меняют осанку для экономии энергии при быстрых прыжках
Исследование, опубликованное в eLife, показывает, что изменение осанки кенгуру на высоких скоростях увеличивает напряжение в сухожилиях и накопление/возврат энергии. Это компенсирует возросшую мышечную силу, необходимую для скорости, объясняя, почему энергетическая стоимость прыжков у животных не меняется.
Энергоэффективность передвижения кенгуру
Кенгуру и другие макроподы уникальны по форме и стилю передвижения. На высоких скоростях они используют характерный прыжковый аллюр. Гипотеза «стоимости генерации силы» предполагает, что с увеличением скорости и уменьшением времени контакта с землей энергозатраты должны расти, но макроподы не следуют этой тенденции.
Чтобы выяснить механизмы этого явления, авторы создали 3D-модель скелетно-мышечной системы кенгуру на основе данных захвата движения и силовой платформы (силы, действующей на землю при прыжке). Они оценили, как масса тела и скорость влияют на:
- Постановку задних конечностей.
- Эффективное механическое преимущество (EMA) и связанное с ним напряжение сухожилий в разгибателях голеностопа.
- Работу голеностопного сустава.
Ключевые результаты
Анализ подтвердил гипотезу: при увеличении скорости задние конечности кенгуру становятся более согнутыми, в основном за счёт изменения углов в голеностопном и плюснефаланговом суставах.
Это изменение осанки меняет геометрию конечности, в частности, плечи сил для ахиллова сухожилия и силы реакции опоры, что снижает EMA голеностопа. В результате увеличивается напряжение ахиллова сухожилия, а значит, и количество упругой энергии, которое оно может накопить и вернуть за прыжок.
Вывод: Этот механизм помогает кенгуру поддерживать одинаковый уровень чистой работы в голеностопе и одинаковый объём мышечной работы независимо от скорости, обеспечивая энергоэффективность.
Ограничения и дальнейшие исследования
Исследование имеет ограничения: было сложно отследить, остаётся ли постоянным EMA проксимальных суставов задней конечности (тазобедренного и коленного). Большая часть скелетных мышц кенгуру расположена вокруг этих суставов, поэтому необходимы дальнейшие исследования для понимания общего вклада осанки и мышц всего тела в энергетику.
Работа демонстрирует, что EMA может быть более динамичным, чем считалось ранее, и показывает, как моделирование скелетно-мышечной системы помогает связать форму и функцию.