Софонты

Возьмите форму, подобную сфере, и удвойте её диаметр, так её ширина увеличится в 2 раза, её поперечное сечение - в 4 раза, а её объём - в 8 раз. Теперь сделайте это с человеком: Как вам уже известно, в плане своего роста софонты вдвое выше обычного человека, но при этом они примерно в четыре раза сильнее, так как их сила является функцией поперечного сечения и их мышечной ткани. Однако исходя из этих расчётов они также должны были бы весить примерно в восемь раз больше обычного человека, из-за пропорционального увеличения их объёма. Конечно, в реальном мире масштабирование работает не так просто: вместо этого среди существ подобной формы вы обнаруживаете масштабирование в соответствии с принципом эластичного подобия. Упруго подобная стойка или консоль будет испытывать такую ​​же относительную деформацию под действием собственного веса. Это обеспечивает постоянное сопротивление колебанию ( основной тип разрушения костей, а также искривление сустава из-за черезмерной перегрузки мышц и низлежащих слоёв ) во время занятий спортом. Эта форма масштабирования требует, чтобы толщина увеличивалась быстрее, чем длина, но тогда и масса будет увеличиваться быстрее. То же самое происходит и с мышцами, поэтому нет никаких сомнений в том, что любой софонт сможет поднимать больший, чем обычный человек, вес, но при этом он не сможет подтягиваться. Для осуществления различных движений в организме человека, как и у всех позвоночных животных, имеются 3 вида мышечной ткани: скелетная, сердечная и гладкая. Каждому виду ткани свойствен свой тип видоизмененных клеток - мышечных волокон. Скелетные мышцы образованы поперечнополосатой мышечной тканью, мышечные волокна которой собраны в пучки. Внутри волокон проходят белковые нити, благодаря которым мышцы способны укорачиваться - сокращаться. Сердечная мышца, как и скелетная, состоит из поперечнополосатых мышечных волокон. Эти волокна в определенных участках как бы сливаются ( переплетаются ). Благодаря этой особенности сердечная мышца способна быстро сокращаться. Скелетные мышцы состоят из пучков по перечнополосатых мышечных волокон. К каждой такой мышце подходят кровеносные сосуды и нервы. Мышцы покрыты соединительнотканной оболочкой и прикрепляются к кости при помощи сухожилий. Сила сократительного компонента мышцы во многом зависит от площади его поперечного сечения. Экспериментально установлено, что чем больше площадь поперечного сечения мышечного волокна, ( то есть, чем оно толще ), тем большую силу оно способно развить. У не занимающихся физической культурой и спортом диаметр мышечных волокон равен 20 – 80 мкм, следовательно, площадь поперечного сечения мышечных волокон варьирует от 300 мкм2 до 5000 мкм2. У бодибилдеров площадь поперечного сечения мышечных волокон значительно больше. Она может достигать 20000 мкм2. На площадь поперечного сечения мышц влияет ряд факторов, таких как: расположение мышцы ( верхние или нижние конечности ), пол, возраст, особенности конституции человека, а также его уровень тренированности или степень гиподинамии. Тоже, кстати, можно сказать и об длине мышечных волокон, которая определяет как силу, так и скорость сокращения мышцы. Так уже стало аксиомой утверждение, что «короткие мышцы сильные, длинные – быстрые». Принцип Бернулли гласит, что степень сокращения мышцы при прочих равных условиях пропорциональна длине её волокон. Поэтому, чем длиннее мышца, тем в большей степени она способна укоротиться за единицу времени и, следовательно, тем больше будет её скорость сокращения. Количество мышечных волокон – второй анатомический фактор, определяющий силу сократительного компонента мышцы. Чем больше волокон содержит мышца, тем большую силу она способна проявить при прочих равных условиях. Число волокон в мышцах различно, так, например, прямая мышца бедра содержит несколько десятков тысяч волокон, а икроножная – более миллиона. Но как можно было бы изменить строение мышечных тканей софонтов чтобы придать им большую физическую силу и прочность? Переплетение тканей не лучшая идея — они лишь уплотнятся и могут порвать друг друга при нагрузке. Почему бы не использовать тот же принцип, что и у поперечнополосатой сердечной ткани? Ведь как мы знаем, сердце работает бесперебойно, чётко и оно достаточно сильное. То что нужно для постоянной нагрузки такого тяжелого двуногого организма. Женщины лучше выдерживают неинтенсивную, но продолжительную нагрузку. Мужчины наоборот — сильнее, но непродолжительное время. Почему бы не совместить оба подхода, в середине мышцы установив короткие мышечные клетки, а близ сухожилий — длинные? Так мы бы использовали оба типа клеток. Но в ногах, разумеется, нужно больше коротких клеток, поскольку им нужно долго выдерживать большой вес. Как вы говорили, короткие мышцы сильнее, но медленнее. Сухожилия состоят из соединительной ткани и, по сути, являются мёртвым грузом для мышцы. Вместо этого можно использовать длинные мышечные волокна с толстой клеточной стенкой, способной выдерживать огромные нагрузки на растяжение. Но в случае расслабления они способны очень резко ускорить конечность, давая ей мобильность. Благодаря этому основное тело мышцы можно заменить на короткие волокна. Поэтому мышцы будут в большей степени приспособлены под длительные интенсивные нагрузки, но не терять в своей резвости. Поэтому софонта, несмотря на массу, нельзя назвать неповоротливым. Он способен двигаться так же быстро, как и человек, плюс-минус. Это далеко от хищников, он для них весьма неплохо. Представьте медведя, занимающегося гимнастикой или фигурным катанием. Не повлияет ли это негативно на прочие физические параметры, вроде силы и эффективности работы мышц? Вовсе нет, сила только возрастёт, ведь мы укорачиваем волокна в теле мышцы, перенося длинные волокна заместо сухожилия. Мышца напротив станет сильнее, как в потенциальном, так и кинетическом планах. Данное нововведение позволяет софонтам быть столь же грациозными и мобильными, как люди, несмотря на свою большую массу. Софонт может кратковременно поднять груз, массой в три раза больше его самого, в то время как массой "нормально нагрузки" (которая будет максимально допустимой по нормам их минздрава) составлять массу софонта (+-50 кг). Таким образом софонт может нести до 350 кг груза, кратковременно поднять до 800 кг, а в пиковой нагрузке ему доступны полторы тонны. ===================================== Как вам идея дать мышечным клеткам нечто, напоминающее дендриты? Так, аксоны будут соединены не с мышцами, а с ганглиями, имеющими несколько дендритов и тысячи аксонов. Это позволит передавать сигнал всей мышце лишь парой аксонов! Мышцы же будут реагировать не на химический маркер, а на нервный импульс напрямую. Я бы предложил использовать обычный синапс, но ведь мы уже освоили бесщелевой метод. Это не только уменьшит латентность, но и позволит увеличить количество мышц и, следовательно, улучшит координацию тела. На их лице, к примеру, может быть и несколько сотен пар мышц, отвечающих за мимику! В нашем теле есть верхний мотонейрон и нижний мотонейрон. Это самые крупные нейроны в ЦНС — их диаметр в пике достигает до 0.1 мм. Верхний мотонейрон начинает путь в головном мозге, формируя пирамидальный путь. Далее он спускается по позвоночнику до нужного уровня и соединяется с нижним мотонейроном, аксоны которого идут к соответствующей группе мышц. Для передачи сигнала между верхними и нижними используется специальный нейромедиатор — глутаминовая кислота. В случае софонтов верхние мотонейроны не будут отличаться от человеческих. Но они соединены не с нижними мотонейронами, а с распределительной усиливающей сетью. Это совокупность крупных нейронов, имеющих несколько дендритов и тысячи аксонов. Каждый пучок верхних мотонейронов подсоединен к своей распределительной усиливающей сети, которая соединена со всей мышцей. Это позволяет мозгу управлять массивным телом ограниченным количеством сигнальных мотонейронов, сняв с них нагрузку. Это позволяет увеличить количество пучков и мышц, что благостно скажется на ориентации. Поскольку мозжечок больше и мощнее, то мозг без труда справится с возросшей нагрузкой. Здесь мы так же применяем бесщелевые синапсы. Чем слабее сигнал от ЦНС, тем меньше РУС нейронов активируется и тем слабее будет их возбуждение, следовательно, тем меньше мышечных клеток сократится и тем слабее будет воздействие. Сами мышечные клетки имеют дендриты и рецепторы, как в нейронах. Все нейромедиаторы, которые сигнализируют миофибриллам, вырабатываются в самой клетке. Определённые гормоны или нейромедиаторы способны "софтверно" увеличить чувствительность рецепторов РУС и мышц, тем самым пропорционально увеличив силу. Поскольку мышечные клетки имеют дендриты, то разумно снабдить их и аксонами, и ганглиями, сигнализирующими о сокращении и напряжении. Это на порядок повысит точность координации. Это избавит нас от нужды в гамма-мотонейронах, которые отвечают за рецепцию растяжения. оценить это труднее, чем простое взаимодействие между нейронами — не могу сказать точно. Не на порядок, но весьма сильно. Возможно с 100-150 Гц до 500-700 Гц. ================================ Гладкие мышцы могут сокращаться без внешнего раздражителя, передавая возбуждение от клетки к клетке. Почему бы не использовать подобный механизм в скелетных мышцах? Мы могли бы использовать ШИМ (широтно-импульсная модуляция) сигнал для регулирования силы и скорости сокращения мышц. Поскольку сигнал по бесщелевым синапсам проходит гораздо быстрее, то вместо постоянного сокращения мы могли бы подавать высокочастотный сигнал на мышцы, при том не на каждую их клетку, а только на некоторые, находящиеся в центре. Таким образом возбуждение в мышцах будет происходить волнообразно, а поскольку частота ШИМ (около 50-150 Гц) намного выше времени сокращения (пусть время сокращения мышцы составит даже 0.1с), когда волна сокращения достигнет внешних мускул, начнётся новая волна. Таким образом сокращения будут плавными, но в то же время их можно изменить в любой момент. Таким образом повышается точность позиционирования мышцы. Если добавить сигналы на возвратные мышцы, который находится в противофазе основному, то вы получите отличную стабилизацию мышцы. Хотя это и повышает нагрузку, но руки софонта никогда не дрогнут, а сам он сможет позиционировать их вплоть до миллиметра. Благодаря обратной связи, сообщающей о напряжении в мускуле, софонт будет получать точнейшую информацию о положении мышц и пользоваться пальцами заместо штангенциркуля. Это даёт им идеальный соматический контроль, и софонты могут на пятках прошагать по верёвке над пропастью без страховки. Если говорить о чём-то более существенном, то такой контроль в купе с точными измерениями положения тела делает этих 350 килограммовых существ элегантнее и проворнее любого человека. В ближнем бою им нет равных: с гепардом он столь же проворен, как соперник, а с медведем находится в равной весовой категории. При ШИМ регуляции мускул мы снижаем количество аксонов ганглия, и можем снизить количество мотонейронов в целом. Это позволит добавить больше нервных окончаний и групп мышц, что увеличит точность позиционирования. Вы можете использовать одну и ту же мышцу по-разному в зависимости от ситуации. Как мы помним, в середине мышцы находятся короткие - медленные, но сильные, "тянущие" - мышечные клетки, а ближе к сухожилиям короткие - быстрые, но слабые. Софонт может сознательно контролировать баллистику конечностей, используя короткие и длинные мускулы в зависимости от ситуации. Так, софонт может точно позиционировать разогнанную руку, внося коррективы в ее траекторию. Представьте, что вы можете махнуть куском арматуры между двумя бокалами, стоящими на расстоянии диаметра этой самой арматуры? Как они могли бы сочетаться, как бы это выглядело? От мозжечка отходят первичные мотоаксоны. Они проходят по спинному мозгу и переходят в ганглии. Ганглии образуют примитивную логическую систему, где формируется ШИМ сигнал. От ганглиев отходят тысячи вторичных мотоаксонов. Они проходят несколькими пучками близ кости, рассредотачиваясь в мышцу к каждому мускулу. Словно гроздь на ветке, центр мускула пронизывают мотоаксоны, и через мускул от центра к переферии идут волны возбуждения от ШИМ. На переферии мускулов расположены нервы напряжения, которые собираются в пучки и проходят в спинной мозг, где собираются в ганглии. Они передают информацию о ШИМ сигнале, корректируя его, а так же информацию о напряжении в мышцах для коррекции силы натяжения. Хотя этот процесс происходит автоматически, он дублируется в мозжечок для обратной связи. Помимо прямоточных мускулов, есть возвратные. К ним точно так же подключены мотоаксоны, и их частота ШИМ коррелирует с частотой прямоточных мотоаксонов так, чтобы всегда находиться в противофазе. Таким образом у нас получаются "неправильные" качели: каждые десять толчков влево их толкают вправо, тем самым держа уровень напряжения постоянным. Если мышцу нужно замедлить, то обе частоты ШИМ равняются, и мышца оказывается заблокированной. Если мышцу нужно расслабить, то скважность ШИМ уменьшается. Эта система наследует преимущества обоих предшественников. В первом случае мы просто заменяем все синаптические мотонейроны на их бесщелевые аналоги. Второй случай не может существовать без первого. ШИМ — концепция, бесполезная на простых синапсах вследствие их инертности. Только благодаря бесщелевым синапсам и ускоренной передачи возбуждения от одной клетки к другой мы можем использовать лавинообразный способ передачи сигнала. Это позволяет увеличить отзывчивость мышцы, не теряя в плавности работы, а так же увеличить точность позиционирования. Поэтому это не самостоятельный механизм, а "надстройка" над первым. Мышечные волокна с медленным подергиванием ( тяжелая цепь I миозина ) лучше подходят для задач на выносливость, в то время как мышечные волокна с быстрым подергиванием ( тяжелая цепь II миозина; в случае шимпанзе, в частности, типа IIa и IId ) требуют более высоких энергетических затрат и лучше подходят для разовых кратковременных задач, вроде пробежки или поднятие больших тяжестей, если речь идёт об жизни и смерти. Также стоит упомянуть о том, что исследователи обнаружили, что в то время как мышцы человека содержат в среднем около 70% волокон с медленным подергиванием и 30% волокон с быстрым подергиванием, мышцы шимпанзе, чьи мышцы как известно работают более эффективно нежели наши, состоят примерно на 33% из волокон с медленным подергиванием и на 66% из волокон с быстрым подергиванием. Проведя моделирование, было обнаружено, что эта разница между волокнами с медленным и быстрым подергиванием привела к тому, что мышцы шимпанзе были примерно в 1,34 — 1,35 раза мощнее человеческих, в зависимости от точного показателя. Исследователи, проводившие исследование, пришли к выводу, что эти результаты свидетельствуют о том, что большая доля волокон MHC II и более длинная длина мышечных волокон, характерная для скелетных мышц шимпанзе, увеличат их динамическую силу и энергетические возможности в целом. Хотя это моделирование не воспроизводит в деталях более ранние экспериментальные разработки, близкое приближение наших результатов к среднему значению в 1,5 раза предполагает, что механика мышц—в частности, содержание изоформы MHC —объясняет большую часть, но не обязательно всю измеренную разницу в производительности мышц шимпанзе и человека. Мышечная “статическая сила”, определяемая как максимальная изометрическая способность к созданию силы (Po), существенно не отличается между этими двумя видами приматов и, следовательно, не способствует их разнице в производительности. Поэтому само собой разумеется, что, изменив состав мышечных волокон в пользу II типа и увеличив длину отдельных мышечных волокон, вы сможете увеличить мышечную силу без соответствующего увеличения их объема, но за счет их выносливости. Также вы можете пойти еще дальше, предоставив им еще более быстрые и длинные мышечные волокна, чем у людей, длинные мышечные волокна II типа. В какой-то момент вы достигнете предела, но, как уже отмечалось, определенно возможно придать вашим существам еще больше силы на единицу мышечной массы, чем позволяют волокна II типа у людей, и вы, вероятно, сможете сохранить недоверие, сделав хотя бы один шаг вперед, хотя, опять же, вы идете на компромисс с выносливостью. Другими словами, даже если мы не будем прибегать к значительным изменениям в устройстве самих мышечных волокон, мы вполне могли бы сделать софонтов в 1,35 раза сильнее сегодняшнего, что учитывая большее поперечное сечение они уже должны были бы быть в 4 раза сильнее обычных людей, увеличило бы эту разницу до 5,4 раз, что довольно неплохо. Однако, Софонты, в первую очередь, это тяжелые двуногие существа, для которых выносливость мышц является определяющим фактором. Ведь мышцы не просто совершают целенаправленную работу, как ходьба, но ещё и поддерживают тело в целом. Поэтому они постоянно находятся в напряжении. Сделать из софонтов атлетов трудно, но они уже имеют преимущество в виде невероятной выносливости. Я опасаюсь, что в данном случае мы не придёт к компромиссу, а лишь наберём недостатоков из обоих крайностей. Поднять количество II-мышц действительно стоит, дабы облегчить им целенаправленную работу, как бег, но уж точно не до уровня шимпанзе. Я бы сказал 55-65% мышц с медленным подёргиванием — край. Поэтому почему бы не использовать способность белков сворачиваться? Я не могу судить, как бы выглядел такой белок, но он должен представлять из себя спираль, которая скручивается под действием определённых веществ. В основе механизма лежит увеличение электростатической силы между витками из-за изменения структуры определённых фрагментов. Это должен быть полимер: длина такого миофибрилла ничем не ограничена. У нас есть кольцевая молекула с чётко выраженным началом и концом. Пределы могут соединяться друг с другом, таким образом, если вы соедините две молекулы, они выстроятся на манер спирали. Если вы возьмете всего один виток, и посмотрите на него сверху, то обнаружите, что фрагменты с положительным и отрицательным зарядом находятся друг над другом, таким образом спираль в расслабленном состоянии "заперта". Если вы воздействуете на молекулу химически, то произойдет реакция замещения, и присоединённый ион изменит электрический заряд фрагмента. Система пришла к неустойчивому состоянию, и единственный способ ей стабилизироваться — провернуться, увеличив или уменьшив диаметр. Как только это происходит, вы можете присоединить ещё один ион, тем самым сместив всю конфигурацию на следующую устойчивую позицию. Таким образом вы можете менять диаметр спирали, а потому и её длину, что преобразует момент в линейную силу. Это химические миофибриллы, и они имеют очевидные для них недостатки: латентность и низкий кпд. Тем не менее, такие мышцы могут оказаться прочнее и сильнее естественных, поскольку работу в них совершает если не вся, то большая часть полимера. Каскадный метод активации в совокупности с ШИМ позволит изрядно снизить количество ганглиев и мотонейронов, а так же повысить плотность мышц. Таким образом нам не понадобится возбуждать все химические связи - только запустить цепную реакцию. Гладкая сердечная мышечная ткань работает по этому принципу: при сокращении мышца создает импульс, который возбуждает следующую мышцу. В случае наших мышц это бесполезно из-за высокой латентности синапсов, но в случае софонтов позволяет регулировать натяжение мышцы не силой импульса, а частотой импульсов. При роторных (назовем их так) миофибриллах это станет еще полезнее, так как их работа условно дискретна, и вы можете очень точно задавать значение натяжения. В чём основные преимущества данного метода? Выше кпд, удельная сила, точность позиционирования. Не могу сказать точно насчет латентности, но может быть здесь прирост, пусть и небольшой. ======================== Можно увеличить размер сустава, к которому крепятся сухожилия, чтобы увеличить момент сил. Хотя под рычагом мы увеличим путь, это даже не плохо: мы сможем позиционировать мышцы точнее. Это не сделает их на порядок сильнее, зато снимет хотя бы какую-то нагрузку с мышц. Мышцы крепятся к костям через сухожилия. Но они располагаются параллельно - это плохо: F' = F sin(a). Чтобы повысить проекцию силы при неизменной мышце, мы можем только увеличить угол а - увеличить противолидащий катет, т.е. сделать точку крепления сухожилий выше сустава. Не задумывались, зачем человеку локти и коленные чашечки? Иначе бы вы ни согнули, ни разогнули руки или ноги. По тому же принципу, чтобы софонты стали сильнее, вам всего-то нужно увеличить катет - коленную чашечку и локоть. Вы увеличите момент сил, но мышце придется пройти больший путь, но это не проблема - просто сделайте больше мышц. Они станут точнее позиционироваться, да и в целом сила возрастет. Более того. Вы можете сконструировать рессору - гибкая кость, которая испытывает растяжение и сжатие. При ходьбе в колене и бедре будет накапливаться и высвобождаться механическая энергия, что позволит мышцам совершать меньше работы. Как могла бы быть устроена подобная структура? Вы имеете арочную составную кость из тонких и длинных игл. Все они связаны хрящем. Они находятся, скажем, внутри треугольника - под сухожилиями. Так, рессора располагалась бы на обратной колену стороне. Когда вы наступаете, иглы в рессоре искривляются и сжимаются, принимая на себя вес. Когда вы отталкиваетесь, иглы распрямляются, совершая работу. Чтобы вы могли согнуть ногу в покое, рессора сдвигается в специальный карман под икрой. В обычном состоянии она упирается в кость. Это соединение быстро изнашивается, а потому регулярно обновляется. Кстати, именно поэтому у софонтов не могут подкоситься ноги. Эти рессоры снимут часть работы с мышц. Как минимум, софонтам станет легче ходить, они смогут бегать, и совсем не устанут. Насколько примерно это могло бы облегчить их передвижение ( смогут ли они, к примеру, безпрепятственно развивать скорость в пятьдесят или по крайней мере до тридцати км/час )? Разумеется, аккумуляция работы не настолько сильно, чтобы достичь 50 км/ч, но сила мышц повысится на 33-50% точно. Может софонт и не побьет наши рекорды, но в среднем будет бегать не хуже. Только если человек быстро устанет, метаболизм софонта позволит ему проработать в режиме несколько километров. Благодаря системе двунаправленного возбуждения мышц, их латентность должна сократиться, поскольку здесь нам важно не столько подать на них сигнал возбуждения, а сместить фазу возбуждения и торможения. Так же следует отметить, что вещи, которые нельзя взять силой, можно взять аналитически: софонты намного лучше контролируют своё тело за счёт более продвинутого мозжечка и делегировании функций управления телом от него к спинному мозгу: вдоль спинного мозга, а в частности у основания черепа, как вы уже неоднократно предлагали, располагается нервная ткань -- зачем сваливать всё управление на мозжечок, когда основные моторные паттерны можно спихнуть на более простой, вегетативный вычислитель? Мозжечок просто раздаёт команды, а спинной мозг решает, как их выполнить. Это позволяет мозжечку сосредоточиться на аналитическом решении задачи движения: распределении масс, внешнем воздействии, продумывании дальнейших движений. Последнее особо актуально в условиях малой подвижности: мозжечок прорабатывает сразу множество сценариев движения, определяет вероятность каждого, и корректирует её с обновлением от органов чувств, и каждое мгновение посылает обновление спинному мозгу по управлению телом. Таким образом софонт не обладает мгновенной реакцией, но может спрогнозировать свои дальнейшие движения, порой предугадывая, что ему нужно делать. В некоторых случаях, скажем, очевидных, софонт может среагировать даже раньше, чем что-то произойдёт: мозжечок принимает данные и вероятные события ещё и от других областей мозга. Таким образом, софонт рефлекторно увернётся от мяча, который в него только бросают. Так что уж говорить, что софонт просто не может оступиться или споткнуться? Их конечности тяжелые, а потому инертные, и при всей их силе, софонты не могут управлять своим телом мгновенно. Поэтому, полагаю, их мозжечок оперирует скорее ускорением и скоростью, нежели непосредственно передвижением. Человек быстрее, но софонт грациознее и элегантнее. Каждое его движение имеет смысл, каждое его движение учитывается. Поэтому даже если мы смиримся с тем, что софонты не так стремительны, как люди, они всё равно не будут неповоротливыми. Да и учитывая их силу, если софонт ударит (а он бьёт так, что наверняка), то резвый противник будет вдруг перестанет быть резвым.