Почему у легендарных прыгунов разная жесткость «пружин»: ответ дало моделирование

Новое исследование рассказывает историю о кузнечике и лягушке-быке, но это не детская сказка. Оно описывает биомеханическое моделирование, которое помогает объяснить, почему у этих двух прыгающих животных разная жесткость «пружин» — сухожилий у лягушки и их аналогов под названием аподемы у кузнечика, — которые запасают энергию для прыжка. Разница, как показывает наука, заключается во времени, которое они обычно тратят на подготовку к прыжку.

«Наша симуляция согласуется с гипотезой, что жесткость пружины варьируется среди организмов в зависимости от их прыжков — являются ли они ограниченными по времени или нет», — сказал Майкл Росарио, постдокторант Университета Брауна и ведущий автор исследования в Proceedings of the Royal Society B.

Ученым уже было известно, что ключевая «пружина» у кузнечика (аподема и часть его экзоскелета) имеет более чем вдвое большую жесткость, чем аналогичное сухожилие у лягушки-быка. Смоделировав мышечно-пружинные системы в ногах каждого существа, Росарио и его соавторы показали, что чем больше времени у животного есть на сокращение мышц для накопления энергии перед прыжком, тем больше энергии оно может запасти в относительно жесткой пружине.

• Кузнечики (Schistocerca gregaria) обычно тратят 300 миллисекунд на накопление энергии в мышцах, аподемах и экзоскелете, хотя для спасения от хищников им приходится прыгать быстрее и, возможно, менее эффективно.
• Лягушки-быки (Lithobates catesbeiana), напротив, обычно тратят всего 50 миллисекунд перед прыжком, например, для нападения на добычу.

Моделирование показало, что максимальное накопление энергии для быстрого прыжка (как у лягушки) происходит в менее жесткой пружине, а для более долгой подготовки (как у кузнечика) — в более жесткой.

Другими словами, существа обладают той жесткостью «пружины», которая оптимальна с учетом временных ограничений их типичного прыжкового поведения.

«И для лягушки-быка, и для кузнечика время, доступное для сокращения мышц, определяло, какая жесткость пружины позволяет достичь максимального накопления энергии», — написали Росарио и его коллеги.

Авторы полагают, что работа может помочь предсказать свойства мышц и сухожилий у других организмов, включая млекопитающих. Дальнейшие исследования покажут, не слишком ли это смелое предположение.