Журнал далеко идущего

Сколь бы бурной и изощренной не была фантазия людей облик выдуманных ими пришельцев чаще всего в общих чертах напоминает человеческое тело, что в случае все тех же кинематографистов позволяет гораздо красочнее и убедительнее изображать сцены общения людей и инопланетян. Ведь если " зелёный человечек " будет хоть в чём-то похож на Землянина то это уже заставит зрителя симпатизировать ему больше чем, например, существу которое выглядит как шар для боулинга ( к стати, этот образ пришельцев действительно однажды встречался в одной из книг знаменитого фантаста Клиффорда Саймока ). Да, строение любого живого существа в первую очередь зависит от условий окружающей среды из-за чего такое явление как конвергентная эволюция в случае инопланетных форм жизни действительно может иметь место быть, однако не стоит прибегать к этому слишком часто считая что все наземные индивидуальные разумные существа с планеты с кислородной атмосферы и водными океанами будут иметь гуманоидное телосложение как у людей или обезьян. Так если планетарная среда может быть постоянной и однородной, она также может сильно различаться в зависимости от поверхности планеты. Это, в свою очередь, может привести к ряду совершенно различных условий обитания со специфическими характеристиками. Такие вариации могли бы оказывать давление на виды и привести к тому, что жизнь будет развиваться совершенно по-разному. У нас на Земле есть пять таких подразделений — тундры, пастбища, пустыни, водные и лесные биомы, которые впрочем также можно было бы дополнить воздушным и дефецитным, подразумевающим под собой те среды обитания в которых какие-либо жизненноважные ресурсы находятся в дефице из-за чего помимо очевидных приспособлений животные или растения также должны были бы оптимизировать свой организм для более эффективного потребления доступной им энергии, как в случае глубоководных или живущих в пещерах или под землёй существах. Каждое из них является домом для организмов, которые адаптировались к своей среде и сильно отличаются от организмов в других биомах. Так существа из глубин океана, например, имеют несколько приспособлений, которые позволяют им выживать в холодной, неосвещенной среде с высоким давлением, наряду с общей приспособленностью жизни в воде. Эти организмы не только не похожи на людей, но и не смогли бы выжить в нашей земной среде. В этом смысле инопланетная жизнь не только коренным образом отличалась бы от земной из-за общих планетарных характеристик, но и из-за экологического разнообразия планеты. Так симметрия тела является одной из наиболее важных критериев необходимых для подавляющего числа сложных ( как правило, многоклеточных ) высокооганизованных организмов, поскольку она обеспечивает правильное расположение частей тела и часто избыточность конечностей и органов. Большинство многоклеточных организмов на Земле демонстрируют ту или иную форму симметрии в четырех различных степенях: три анатомические плоскости, только одна из которых делит на две зеркальные половины двусторонне симметричный организм. Так полноценная асимметрия организма очень малораспространена ( в качестве одних из наиболее сложных земных организмов с асимметричной структурой тела являются такие примитивные многоклеточные организмы как губки и плацезоаны ), по крайней мере, между движущимися организмами, поскольку это очень неэффективный способ организации организма при наличие у него нескольких специализированных органов, не обеспечивая для них надежного резервного копирования в случае повреждения. Сферическая симметрия: организм может быть разделен на две зеркальные половины каждой из трёх анатомических плоскостей ( сагиттальной, корональной и поперечной ). В большинстве случаев организмы подобного типа развиваются в достаточно плотной и распределяющей, оказываемое на организм, давление из-за чего у них не было никаких оснований отдавать предпочтение определенному направлению: микроскопические простейшие, такие как радиолярии, гелиозоаны и вольвоксы. Радиальная симметрия: организм может быть разделен на зеркальные половины в виде ряда плоскостей ( сагиттальной, корональной и, возможно, некоторых других ), которые проходят через дорсовентральную ось, что распространено среди животных, которые живут под действием силы тяжести, но неподвижны, и поэтому отличают только спинную сторону от брюшной ( например, кораллы и морские анемоны ). Из вентральной стороны существа смогут сформироваться возможные конечности и защитная оболочка для жизненноважных и необходимых для размножения или передачи генетического материала органов, в то время как дорсальная сторона сконцентрирует пассивную защиту ( раковины, шипы, костные пластины ). За исключением медуз, которые движутся в направлении спины, радиальные животные чаще всего ведут сидячий образ жизни; единственными двусторонними животными, впоследствии ставшими радиальными, являются иглокожие ( например, морские ежи или морские звёзды ). Радиальные цветы ( такие как шестигранная лилия или пятигранный лютик ) называются актиноморфными. Наиболее распространенные в природе формы радиальной симметрии включают: тримеризм ( тело, разделенное на три симметричные части ) у некоторых радиоляров и у вымерших трилобозоанов; тетрамеризм ( четыре части ) у некоторых медуз; гексамерность ( наличие шести частей ) и октамерность ( наличие восьми частей ) в случае кораллов ( гексакораллия и октокораллия ); бирадиальная симметрия, где тело разделено на части, каждая из которых отличается от соседних, но идентична противоположной; пентамеризм ( пять частей )( наиболее распространенным вариантов являются оси симметрии расположеные под углом в 72° друг от друга ). Все иглокожие демонстрируют эту симметрию, а также многие цветы и фрукты ( например лепестки шиповника и семена внутри яблока ). Двусторонняя симметрия: организм может быть разделен на зеркальные половины только сагиттальной плоскостью. Животные, которые двигаются в определенном направлении, а не остаются неподвижными на земле/морском дне, как правило, развивают переднюю конечность ( голову ), которая сначала встретится с новым объектом и будет с ним взаимодействовать. Таким образом, она будет содержать рот, основные органы чувств ( и центральную нервную систему связанную с ними, если она, конечно же, будет иметься у этого существа ), и, возможно, простые манипуляционные органы. Правая и левая стороны должны оставаться зеркальными, за редким исключением, поскольку скорее всего у них не будет причин для диверсификации: на самом деле асимметрия конечностей или мышц может привести к тому, что существо будет двигаться по кругу, а не вперед. Почти все животные на Земле, будь то дождевые черви, осы или черепахи, являются двусторонне-симметричными. Двусторонние цветы, такие как орхидеи и ламиалы, называются зигоморфными. В то время как большинство растений в целом асимметричны, так их ветви или листья расположены в виде спирали вокруг стебля ( спиральный рост ); клетки грибов Phycomyces и нителлы морских водорослей имеют спиралевидную форму, вероятно, из-за своеобразного расположения волокон в клеточной стенке. Повторение и специализация В примитивной клеточной колонии разные части тела будут, как правило, специализироваться на разных функциях, позволяя им максимизировать свою эффективность, но они больше не смогут выживать самостоятельно, превращая колонию в организм. Предковые организмы, как правило, имеют больше повторений в своей структуре: Закон Рулье: развитие организмов, клад и других биологических систем делает их организацию все более и более сложной, с дифференциацией и специализацией их подсистем. Следствие Уиллистона: организмы, как правило, имеют меньше конечностей и сегментов, чем их предки, но эти конечности и сегменты будут более специализированными. Метамерия — это повторение сегментов тела со сходной или идентичной структурой, называемых сомитами или метамерами у животных, и фитомеров или метамеров у растений ( это нечто отличное от простой сегментации, как у ленточных червей, которая характерна только для внешних тканей ). Кольчатые черви, такие как пиявки и дождевые черви, демонстрируют однородную метамерию: все сегменты почти идентичны другим и содержат мышцы, нефриды ( органы выделения ), часть нервной хорды и пищеварительного тракта, полную репродуктивную систему и иногда параподов ( придатки без сочленений ). Тагматизация — это объединение большего количества сегментов в специализированную функциональную группу. Так членистоногие вместо этого являются примером гетерономной метамерии, которая обычно возникает в результате специализации гомономной метамерии: каждый сегмент сильно отличается от других, как и конечности, которые становятся ногами, когтями, хелицерами, щупальцами и челюстями. Голова насекомых, ракообразных и мириапод состоит из пяти сросшихся сегментов, голова трилобитов и хелицератов из семи; сегодня же тело большинства насекомых, по-видимому, состоит только из трех тагматов ( голова, грудная клетка и брюшко ), а тело многих паукообразных только из двух ( голова и брюшко ); скорпионы и крабы имеют большую головоногую грудную клетку и множество брюшных сегментов, в то время как клещи, по-видимому, полностью лишены сегментации ( их голова и конечности находятся сразу на туловище ). Даже когда органы специализированы по функциям, они могут иметь очень общую структуру. Системы сначала выглядят как рассеянная сеть ( нервов, кровеносных сосудов и т.д ) Вокруг тела, обычно развивающая большую централизацию, с одним или несколькими основными органами ( мозгом(ами), сердцем(ами) и т.д ). Развитие "диффузия химических веществ из окружающей среды" → "диффузная сеть, которая переносит химические вещества по всему телу" → "централизованная система, которая контролирует сеть", обычно происходит в зависимости от размера. Кроме того, в то время как эффективная конструкция может потребовать, чтобы каждая функция выполнялась органом, запутанная эволюционная история живых существ часто заставляет орган выполнять множество функций. Например, глотка наземных позвоночных является частью пищеварительной и дыхательной системы; медузы и плоские черви едят и выделяют отходы через одно и то же отверстие; морские огурцы и некоторые черепахи дышат ( или способны к этому ) через прямую кишку, в то время как китайская черепаха с мягким панцирем мочится через рот; у рептилий и птиц пищеварительный, мочевой и репродуктивный тракты открываются в клоаке. И наоборот, организмы могли бы выполнять одну и ту же функцию с разными органами: у кальмаров два сердца, у осьминогов три, в то время как у таких жвачных животных как коровы желудок, в плане своего внутреннего строения, разделен на четыре разных, переваривающих переходящую из одного желудка в другой, четырёх желудков. Наконец, некоторые организмы могут полностью отказаться от органа: у муравьев нет желудка, потому что они едят уже переваренную их энзимами пищу вне их тела, в то время как у многих червей-паразитов также нет кишечника, потому что они поглощают только питательные вещества, уже переваренные своим хозяином. Объём и площадь поверхность тела Соотношение между объемом и поверхностью твердого тела чрезвычайно важно в нескольких областях биологии. Так в то время как объем растет пропорционально кубу линейного размера, поверхность растет пропорционально только квадрату, и поэтому по мере того, как твердое тело становится все больше и больше, его поверхность становится ( по отношению к объему ) все меньше и меньше, что означает, что очень маленькие организмы имеют очень большую площадь поверхностьи своего тела по отношению к объему. Поскольку масса и метаболическая активность ( каждой части тела и целого ) пропорциональны объему, в то время как площади поверхности и поперечные сечения пропорциональны поверхности, одноклеточные организмы могут просто поглощать необходимые химические вещества через поверхность, и этого достаточно для поддержания их процессов; для более крупных организмов поверхность слишком мала, и им нужны сложные системы для распределения химических веществ по частям тела. Функции, пропорциональные площади: поглощение химических веществ и света, рассеивание тепла, сила мышц и костей, активность мозга, количество жидкостей, поступающих в ткани, трение воздуха/воды, сопротивление и подъем Функции, пропорциональные объему: масса и вес, сохранение тепла, выработка метаболической энергии, хранение химических веществ, мышечная сила, кровяное давление Когда большая потребность организма функции пропорциональна поверхности, это может увеличить его поверхности, но не ее объем морщин, пластинки, извилин, филиалы: легочные альвеолы, кишечных ворсин, капилляров, листья, жабры всех структур, которые позволяют эффективно поглощать или выделять вещества. Точно так же извилины головного мозга расширяют тонкую кору, а гребни митохондрий обеспечивают более быстрое окисление глюкозы. Мелкие организмы легко рассеивают тепло, что очень опасно для мелких млекопитающих и птиц, которые вырабатывают свое собственное тепло за счет метаболической активности, заставляя их оставаться намного крупнее хладнокровных животных, в то время как крупные животные, как правило, сохраняют его, и поэтому в жарком климате им нужны расширенные поверхности для выделения нежелательной тепла, такие как большие уши слонов или тушканчиков. Другим, более очевидным следствием является то, что по мере увеличения размеров организм нуждается в пропорционально более толстых и прочных опорах: так, у слонов и зауроподов конечности похожи на столбы или колонны зданий, в то время как насекомые и пауки ходят на тонких, словно волосы, ногах. Если увеличить обычную полевую мышь с пяти сантиметров до пяти метров ( в тысячу раз ), то её масса увеличится в 1 миллион раз ( 100³ ), в то время как прочность костей только в десять тысяч раз ( 100² ), из-за чего подобная мышь будет примерно в сто раз тяжелее чем смогли бы выдержать её кости из-за чего ей понадобится совершенно другая структура скелета. Многие другие особенности мелкомасштабной жизни объясняются большим соотношением площади и объема: так насекомые могут переносить грузы в сотни раз тяжелее их ( в то время как крупные млекопитающие могут переносить вес только в несколько раз превышающей его собственную массу или как в случае ещё более крупных и массивных животных лишь часть своего веса ), поскольку поперечное сечение их мышц намного больше по отношению к их массе и массе всего остального организма; как писал Дж. Б. С. Холдейн, если мокрому человеку приходится нести легкую пленку воды, мокрой мыши приходится нести свой собственный вес в воде, а в случае мокрой мухе масса воды оказывается во много раз больше массы её собственного тела; многие мелкие животные могут карабкаться по вертикальным поверхностям или ходить по поверхности воды, так как в их масштабе поверхностные силы ( например, поверхностное натяжение ) намного сильнее объемных сил ( например, веса ); насекомые могут выжить при падении в тысячи раз выше своего тела, в то время как слон может переломать себе кости, упав на несколько сантиметров, поскольку сила, приложенная при падении, зависит только от массы и абсолютной высоты. Масса, сила тяжести и пропорции Наиболее важным напряжением, влияющим на биомеханические структуры, является сила тяжести. Например, максимальный рост организма определяется работой его структуры в противовес его весу: E=mgh → h=E/мг. Поскольку E ( выходная энергия ) и m ( масса ) пропорциональны объему, они уравновешивают друг друга, и, следовательно, высота обратно пропорциональна силе тяжести: h ~ 1/g. Это означает, что, если сила тяжести удваивается, максимальная высота организма делится пополам. То же самое верно и для максимальной высоты, достигнутой прыжком: поскольку она не зависит от массы, тушканчик и кенгуру прыгнули бы примерно на одну и ту же высоту при условии равной механической эффективности, но если сила тяжести увеличится в n раз, эта высота станет в 1/n раз больше ( то есть меньше ). Другим следствием изменения силы тяжести является различная нагрузка на кости ( или эквивалентные структуры ). Оказываемое на кости давление которую они должны выдерживать не зависит от площади их поперечного сечения, но это прямо пропорционально их весу, который является произведением их массы и оксзываемой на них силы тяжести: потому, что при прочих равных условиях, к площади поперечного сечения кости прямо пропорциональна тяжести, и их радиус до квадратного корня из (А ^ Г, р ~ √г). Если либо масса, либо сила тяжести удвоятся, при сохранение своей прочности, кости должны будут стать в √2 = 1,4 раза шире. Аналогичные изменения в форме тела могут быть вычислены таким же образом ( помните, что увеличение силы тяжести в n раз функционально эквивалентно увеличению объема в n раз и, следовательно, увеличению длины на n3. Например, ширина туловища, длина шеи и длина ног пропорциональны квадратному корню из длины тела (~ √l). Так самым маленьким известным организмом, способным к метаболической активности ( следовательно, исключая вирусы ), является паразитическая бактерия Mycoplasma genitalium, диаметром 200-300 нм; самый маленький организм, способный выживать самостоятельно ( следовательно, исключая паразитов ) является Pelagibacter ubique, длиной около 400 нм. Самым маленьким известным эукариотом, которому нужна клетка гораздо более сложная, чем у любой бактерии, является водоросль Ostreococcus шириной 800 нм. Наконец, самым маленьким известным животным является ракообразное Stygotantulus stocki, длина 0,094 мм. Будучи эукариотами, животные нуждаются в клетках превышающих их минимально возможный размер; было подсчитано, что человек, построенный с клетками размером с микоплазму, будет иметь массу 50 мг и высоту в пять миллиметров, хотя маловероятно, что такие маленькие клетки смогут поддерживать сложную жизнь. Что касается верхнего предела, большой секвойи, уже построенные с использованием колоннообразной формы, они могут весить более тысячи тонн, но они вырастают до такого размера только потому, что они не должны двигаться, что-то, что ставит гораздо большую нагрузку на конструкции; по крупным известным животным ( синих китов и самых крупных зауропод ) имеют массу около 100 тонн, или 10⁵ кг. Возможно, на планетах с более слабой гравитацией максимальная масса была бы выше: поскольку масса пропорциональна кубу линейных размеров ( например, высоте ) и, следовательно, кубу 1/g, мы можем сделать вывод, что максимальная масса обратно пропорциональна кубу силы тяжести (m ~ 1/g3). Считается, что пределы относительной гравитации на обитаемых планетах составляют 0,2 и 2,2 G: что приводит нас к максимальной массе в 12.500 тонн и 9,4 тонны соответственно. В любом случае, поскольку поддержка, которую киты получают от плавучести, похоже, не сильно влияет на результат, вполне вероятно, что ограничение размера обусловлено другими факторами, такими как сохранение метаболического тепла и все более затрудненное кровообращение с учётом использования всего одного, пусть и достаточно большого, сердца. Колониальные организмы Обычно колония — это просто группа организмов одного и того же вида, живущих близко друг к другу; истинный колониальный организм-это комбинация соединенных клеток, которые все еще способны выживать самостоятельно: вероятный эволюционный предшественник многоклеточных организмов. Вольвокс является примером такой колонии ( называемой ценобием, поскольку она имеет фиксированное количество неспециализированных клеток ), состоящей из 500-50.000 жгутиковых клеток, скрепленных желатиновой матрицей гликопротеинов. Биопленка — это группа микроорганизмов, которая прилипает к поверхности через слизистую массу полисахаридов или другие химические вещества: это важный источник пищи для многих вредных организмов. Так существует несколько примеров колониальных организмов, части которых, в свою очередь, многоклеточны: они называются зоа ( в единственной форме — зоон ), а составляющие их особи называются зооидами. Зооиды могут быть связаны мягкими тканями ( как у кораллов и сифонофоров) или иметь общий экзоскелет ( как у птеробранчей и брюхоногих ). В некоторых случаях, в основном среди сифонофоров, высокой специализации между зооидами: например, "португальский военный человек"состоит из пневматофора ( прозрачного мешка длиной 9-30 см, который плавает на поверхности моря ), дактилозоидов ( усики длиной до 50 метров, покрытые жалящими клетками ), гастрозоидов ( которые переваривают убитую добычу ) и гонозоидов ( которые производят половые клетки ). Такого рода ассоциации редки на Земле, но на других планетах они вполне могут быть столь же распространены, как и простая многоклеточность жизнь. Структура и защита В независимости от того будут ли рассматриваемые нами организмы статичными и подвижными в любом случае им будет необходимо иметь жёсткие структур, которые противостоят гравитации позволяя им стоять, и, возможно, в самый тяжелый мягкотелые организма из когда-либо зарегистрированных был колоссальный кальмар ( Mesonychoteuthis hamiltoni ) весом 500 килограммов, две сотни раз меньше, чем 100 тонн-лимит на размер приведенные выше, и без поддержки из воды ее максимальный размер будет еще меньше. Главное преимущество существ лишённых внутреннего или внешнего скелета является их гибкость — так большие осьминоги могут проходить через отверстия шириной в несколько сантиметров, но скелет обеспечивает стабильность, защиту и более эффективное движение. Так простейшей формой скелета является гидростатический скелет, полость или система из нескольких полостей, заполненных находящейся под определённым давлением жидкостью. У медуз, дождевых червей и морских звезд есть такая система, которая также работает как мышца, обеспечивая как поддержку, так и их движение. У многих животных есть бескостные подвижные органы, полностью состоящие из мышц ( мышечные гидростаты ), такие как стопа моллюсков ( которая становится щупальцами у головоногих моллюсков ), трубчатые лапы иглокожих, язык позвоночных и хобот слонов. Губки имеют рудиментарный скелет, состоящий из спикул, мелких минеральных элементов с 2-5 заостренными концами, посыпанными тканью; они сделаны из кальцита в известковых губках, кремнезема в стеклянных губках и спонгина ( белка ) или как спонгина, так и кремнезема в демоспонгах. Иглокожие имеют дермаскелет, простую жесткую структуру, состоящую из пластин кальцита и оксида магния (MgO), соединенных нижележащими и вышележащими слоями кожи. Пористая пластина из мадрепорита фильтрует морскую воду, которая заполняет сеть каналов, водную сосудистую систему, с тройной функцией передвижения, дыхания и удаления отходов. Биоминерализация Биоминерализация — это процесс, при котором минералы всасываются в матрицу соединительной ткани, чтобы её укрепить. Минерализованные ткани включают кость, рог, эмаль зубов, раковины и многие другие; их полая структура делает их в несколько тысяч раз прочнее чистых минералов. Кальцит является наиболее стабильной минеральной формой карбоната кальция (CaCO3). Это часть оболочки многих планктонных организмов ( кокколитофоры и фораминиферы, образующие отложения мела и известняка ), брахиопод и мшанок, а также частично двустворчатых моллюсков, спикул известковых губок и скелета табличных кораллов. Глаза трилобитов, уникальные среди животных, имели кальцитовые линзы. Арагонит — это еще одна форма карбоната кальция ( третья форма, ватерит, хорошо растворима в воде, и поэтому является маловероятно заменой кальция в костях сложных организмов, использующих воду в качестве растворителя ). Он образует оболочку из каменистых кораллов и всех моллюсков ( хотя и смешивается с кальцитом у двустворчатых моллюсков ). В отличие от кальцита, он становится нестабильным, когда магний становится слишком редким в окружающей среде по сравнению с кальцием. Диоксид кремния (SiO2), образует фрустрацию ( пористую клеточную стенку ) диатомовых водорослей и некоторых радиолярий, а также спикулы стеклянных губок, так многие растения извлекают кремнезем из почвы и хранят его в своих тканях в виде фитолитов, которые могут выполнять структурную функцию, но в основном защищают листья от выпаса, изнашивая зубы травоядных, особенно в траве.Апатит представляет собой группу фосфатных минералов, которые включают гидроксилапатит (Ca10(PO4)6OH2), фторапатит (Ca10(PO4)6F2) и хлорапатит (Ca10(PO4)6Cl2). В зависимости от его концентрации в минерализованной ткани гидроксилапатит образует кость ( 50%, смешанную с белками ), дентин ( который содержится в зубах и в рыбьей чешуе, 70% ) и зубную эмаль (90%). Селестин, или сульфат стронция (SrSO4), образует скелет простейших Acantharea. Металлы: в процессе, аналогичном биоминерализации, некоторые пауки и другие членистоногие накапливают одиночные ионы металлов ( в основном железа, меди, цинка и марганца ) в своих клыках, в результате чего клыки становятся все более металлическими по мере старения паука. Похожей особенностью обладает и удивительный чешуйчатый брюхоногий моллюск chrysomallon squamiferum, который также известен под названием железная улитка, обитающего рядом с гидротермальными подводными источниками в глубинах Индийского океана. Этот чешуйчатый гастропод ( биологическое название моллюска ) имеет необычную для улитки внешность. Его раковина имеет арагонитовую оболочку, усиленную металлическими пластинами сульфида железа, в частности грейгита (Fe3S4) и пирита (FeS2), а видимая часть мясистой стопы защищена металлической чешуей, поэтому создается впечатление, что она бронированная. И это не обман зрения, как может показаться в первую секунду. Ногу моллюска на самом деле плотными рядами покрывают металлические чешуйки, состоящие из сульфидов железа. Раковина железной улитки также покрыта металлической защитной оболочкой, что делает её недосягаемой для большинства естественных врагов. Некоторые ткани подвергаются процессу, аналогичному биоминерализации, но с органическими веществами: сухожилия и хрящи содержат белки ( коллаген и эластин ); другой белок, кератин, образует волосы, перья, когти, ногти, копыта, чешую рептилий, клюв птиц и черепах, рога, иглы дикобразов и доспехи ящеров. Полисахариды могут концентрироваться вокруг каждой клетки, создавая клеточную стенку из целлюлозы ( а иногда и сложного лигнина ) в растениях и хитина в грибах. Прямое использование чистых металлов ( в отличие от природных соединений, таких как оксиды, сульфиды и т.д ). Внешний скелет Существует два способа построения сложного скелета: экзоскелет окружающий мягкие ткани и эндоскелет окруженный ими. Сочлененный экзоскелет является отличительной чертой членистоногих, и в этом случае он в основном состоит из хитина, полисахарида, и пропитан кальцитом: у насекомых он содержит почти только хитин, в то время как у трилобитов, мириапод и ракообразных до 40% экзоскелета составляет кальцит. Эти вещества образуют гибкие сочлененные пластины, которые покрывают всю поверхность тела. У него есть внутренние выступы, аподемы, на которых шарнирно закреплены мышцы; будучи полностью состоящими из хитина, аподемы в шесть раз прочнее и в два раза жестче, чем сухожилия позвоночных. Такой вид каркаса придает мышцам гораздо большую площадь, доступная для вложений, и это гораздо более устойчивы к изгибу, но это имеет две проблемы, которые не ухудшаются с размерами: во-первых, хотя это правда, что полый брус прочнее, чем твердый при поддержании статических нагрузок, это гораздо слабее, когда дело доходит до динамического нагружения, то есть при ходьбе или падении, если животное по массе не очень мало; во-вторых, это препятствует росту животного. Эта последняя проблема была решена членистоногими с периодической линькой, хотя можно представить внеземных насекомых, у которых новые ткани расширяют одни и те же пластины или разные слои экзоскелета поочередно переставляются один вокруг другого. Во всяком случае, ни одно земное членистоногое, как на суше, так и в воде, никогда не вырастало более чем на 2-3 метра в длину. Менее сложные экзоскелеты встречаются у других животных: у брахиопод, брюхоногих и некоторых полихетных червей один состоит из кальцита; у моллюсков есть отличительная спинная ткань, мантия или паллий, которая выделяет карбонат кальция и конхиолин ( белок ). Это очень твердая раковина, имеющая точку сочленения только у двустворчатых моллюсков и у некоторых брахиопод. Даже у некоторых позвоночных развился экзоскелет: рыбы-остракодермы имели головной панцирь из кости, хряща и дентина, в то время как черепахи и броненосцы имеют костный панцирь, и панголины-броня, состоящая из кератина, полученного из волос, который у других млекопитающих также образует рога и иглы. Внутренний скелет В то время как спикулы губок, дермаскелет иглокожих и губчатая арагонитовая каракатица каракатицы можно считать внутренними скелетами, для хордовых характерен сложный сочлененный эндоскелет, в котором центр сосредоточен вокруг спинного мозга, часто черепа, защищающего мозг, грудной клетки вокруг органов грудной клетки и выступов, которые укрепляют конечности. Этот скелет состоит либо из хряща ( матрикса или белков, в основном коллагена и эластина ), либо из кости ( оссеина и фосфата кальция ) с элементами хряща. Поскольку кость может противостоять сжатию до 1700 атмосфер ( то есть давлению равному одному килограмму на каждый квадратный сантиметр ), что означает, что животное с массой тела в 5000 килограммов ( если предположить, что местная сила притяжения или гравитация будет равна земной ) должен, как минимум, в общей ногу сечение 5000/1700=2.9 квадратных сантиметрах, или, считая одним цилиндрическим ногу, кость диаметром в 1,9 см, в то время как цилиндрический деревянный ствол ( прочностью в 500 атмосфер ) следует 3.6 см шириной, широкий хряща ноги ( прочностью в 350 атмосфер ) 4.2 см шириной, а также мышцы ног ( прочностью в 10 атмосфер ) 25 см, становится очевидно, что у земных животных ноги намного больше, чем у этого: это потому, что они созданы не только для того, чтобы стоять, но и для ходьбы, бега и прыжков. Когда люди бегут, нога ударяется о землю с силой, примерно в 2,5 раза превышающей вес тела ( следовательно, общая сила в 3,5 раза превышает вес ), а у животных с меньшей анатомической специализацией для бега она может быть еще выше. Собрав все это вместе, формула для получения минимального диаметра кости ноги составляет d = 2√(mgF/nnC), где m-общая масса тела, g-относительная сила тяжести планеты, F-величина общей силы относительно массы тела при беге, n - количество ног и C-прочность на сжатие кости. Давайте снова предположим, что масса тела нашего организма будет составлять 5000 килограммов ( 5 тонн ), сила тяжести Земли, F=4, шесть ног и истинная кость (1700 атмосфер): таким образом, мы получаем кости ног 2√(20.000/32.000) = 2√0.63 = 1.6 сантиметров ( ширина ), общей площадью поперечного сечения в 12 квадратных сантиметров. Интересная вариация эндоскелета можно увидеть в случае живых организмов с внутренним или внешним скелетом в форме своего рода "плетеной корзине" из взаимосвязанных костей, которая окружает внутреннюю часть мягкого тела, похожую на увеличенную версию дермаскелета морского ежа или полых костей птиц; такая структура сочетала бы в себе большую прочность и легкость. Другие альтернативы, предлагаемые в ксенологии, включают множественные спинные мозги, спиральное ("штопорное") расположение внутренних волокон, телескопические кости ( одна втягивается внутрь другой ) и т.д. Движение Мышцы — это ткань, состоящая из белковых нитей; когда они получают электрический сигнал, они сокращаются, укорачивая мышечные волокна и, таким образом, высвобождая силу. У членистоногих мышцы закреплены на внутренней поверхности экзоскелета, в то время как у хордовых они привязаны к костям сухожилиями. Скелетные мышцы подразделяются на четыре категории в зависимости от расположения волокон: В параллельных мышцах ( например, двуглавой мышце плеча ) все волокна параллельны продольной оси мышцы. Они могут быть плоскими или веретенообразными, с сухожилиями на обоих концах; они могут сжиматься до двух третей своей максимальной длины, прилагая усилие 36 Н на квадратный сантиметр ( 3,6 атмосфер ). В сходящихся мышцах ( например, большой грудной мышцы ) волокна распространяются от точки прикрепления, где расположено сухожилие или аналогичная структура. Они широкие, плоские и веерообразные, и не такие сильные, как параллельные мышцы, но они могут тянуть в нескольких разных направлениях. В выемчатых мышцах ( например, дигиторум разгибателя, однополый, и прямая бедренная кость, двухполый ) волокна образуют один и тот же угол с продольной осью ( они параллельны друг другу, но не сухожилию ). Они содержат больше волокон на единицу объема, и поэтому они сильнее, чем другие мышцы. В круговых мышцах или сфинктерах ( например, orbicularis oris ) волокна расположены по кругу вокруг центрального отверстия, ограничивая диаметр, когда они сокращаются. Они часто расположены вокруг отверстий и проходов для регулирования потока материи ( или света ). Учитывая физику рычагов, расстояние точки вставки мышцы на кости ( находится ли она внутри или снаружи ) от сустава, например, между вставкой бицепса на лучевой кости и локтем, влияет на силу и скорость изгиба: если вставка ближе к суставу, это ускоряет движение; если она дальше, это делает его сильнее. Поскольку мышечные волокна могут только тянуть, каждой кости нужны по крайней мере две мышцы с противоположных сторон, такие как бицепсы и трицепсы для предплечья. Они представляют собой заполненные жидкостью мешочки с разделением, которое делает их устойчивыми к проколам, которые толкают кости, а не тянут их, что влияет на морфологию конечностей. Эта система не совсем неслыханна: прыгающий паук напрягает ноги перед прыжком, повышая кровяное давление. Аналогичным образом, пентаподы могут использовать систему волокон ("миоскелет"), которые расширяются, когда они поглощают воду путем осмоса. Стержни миоскелетного аппарата также могут сгибаться ( растягивая волокна только с одной стороны ) или скручиваться ( растягивая волокна по спирали ); эта система работает как мускулатура, так и скелет. Движение в ответ на раздражитель окружающей среды, без посредничества нервной системы, называется тропизмом. В зависимости от типа стимула тропизм может быть: Хемотропизм ( химические вещества ), такие как движение корней к полезным минералам и от токсинов. Гидротропизм ( вода ), особая форма хемотропизма, при которой корни "ищут" воду. Гелиотропизм или фототропизм ( свет ), например, растения растут в направлении источников света или поворачиваются лицом к Солнцу; это может быть достигнуто с помощью ауксина, гормона, который разрушается светом и стимулирует рост тканей, поэтому удлиняет темную сторону стебля, чтобы изогнуть его. Геотропизм или гравитропизм ( гравитация ), например, рост растений и грибов стеблем вверх независимо от наклона земли. Термотропизм ( температура ), такой как скручивание листьев рододендрона в ответ на холод. Электротропизм ( электрические поля ), такие как особый рост, до сих пор не полностью понятый, пыльцевых трубок при электрической стимуляции. Тиготропизм ( прикосновение или контакт ), такой как наматывание усиков виноградной лозы на поддерживающие предметы, складывание листьев мимозы пудики при прикосновении или закрытие венеренной мухоловки над пойманными насекомыми. Передвижение Большинству форм жизни приходится двигаться, чтобы выжить, будь то микроскопические водоросли и бактерии, роющие паразиты, быстрые охотники или гигантские питатели-фильтры - за некоторыми исключениями, такими как грибы, большинство растений и некоторые животные, которые живут, прикрепленные к земле, и называются сидячими. Вместо этого другие организмы развили огромное разнообразие средств передвижения, которые можно разделить на два вида: движение внутри жидкости и на твердой почве. Передвижение в текучей среде Когда тело погружается в жидкость в относительном движении ( то есть как когда тело неподвижно, а жидкость движется, так и когда происходит обратное ), оно испытывает четыре силы, которые диктуют его движение. Вес, произведение массы тела и силы тяжести; он всегда указывает на центр планеты. Если плотность жидкости значительна по сравнению с плотностью тела, вес может быть частично компенсирован плавучестью.Тяга, сила, создаваемая движением тела, как реакция на жидкость, отталкиваемую назад. Сопротивление — это сила, которая противодействует движению ( таким образом, оно имеет то же направление, но противоположное ), задается трением поверхности тела с жидкостью. Подъемная сила — это сила, перпендикулярная движению. Если аэродинамическое крыло/крыло на подводных крыльях, движущееся через жидкость под определенным углом атаки, отклоняет ее с большей силой сверху, чем снизу, жидкость оказывает силу реакции, которая толкает тело вверх. Подъемная сила пропорциональна плотности жидкости, поверхности аэродинамического крыла/крыла на подводных крыльях и квадрату скорости движения. Жидкости и газы действуют очень похожими способами: плавание и полет в основном регулируются одной и той же физикой, принимая во внимание гораздо меньшую плотность воздуха. Тело с тонким поперечным сечением, которое создает сильные аэро/гидродинамические силы ( такие как плавники, крылья, лопасти, паруса ), называется аэродинамическим крылом ( в воздухе ) или крылом на подводных крыльях ( в воде ). Плавание Закон Фруда гласит, что максимальная скорость организма, плавающего в воде, должна быть пропорциональна квадратному корню из отношения между мышечной работой и сопротивлением воде ( сами пропорциональны объему и площади поверхности тела ), которая является линейной длиной: следовательно, v ~ √l. Однако сопротивление, оказываемое жидкостью плавающему животному, также зависит от ее вязкости: если мы включим это в формулу, мы обнаружим, что максимальная скорость в жидкостях, отличных от воды, также обратно пропорциональна квадратному корню из вязкости. То есть животное, плавающее в цианистом водороде, будет 1/(√0.21) = 1/0.46 = 2.2 раз быстрее, чем то же самое животное, плавающее в воде. Почти все наиболее вероятные талассогены гораздо менее вязкие, чем вода, и поэтому для плавания в них требуется меньше энергии, за исключением расплавленной серы. Что касается средств приведения в движение: Волнообразноедвижение: самый простой способ продвижения в воде — это движение в сторону тела, создавая волнообразные движения, которые толкают воду назад и, в результате реакции, тело вперед. Миноги, угри, морские змеи, мозазавры и многие другие животные плавают таким образом; рыбы, акулы и ихтиозавры двигаются боком только хвостом, снабженным большими плавниками, в то время как тюлени, выдры и киты изгибают свое тело вверх и вниз. Плавники или двуустки, перпендикулярные направлению волнистости ( следовательно, вертикальные у рыб и горизонтальные у китов ), помогают толкать воду с большей силой. Как разновидность, скаты, каракатицы и аномалокаридиды плавайте, двигая боковыми мембранами, сохраняя тело неподвижным. Движение с помощью подъемной силы: у многих позвоночных ( например, акул, пингвинов, морских львов ) длинные и широкие горизонтальные плавники действуют как крылья на подводных крыльях, создавая подъемную силу; у камбалы все тело становится крылом на подводных крыльях. Эти организмы должны снижать сопротивление воде за счет конического веретенообразного тела и гладкой поверхности; однако бороздки и бугорки могут уменьшить сопротивление, нарушая поток воды в турбулентных каналах, как это происходит на ластах горбатого кита. Движение через сопротивление: Аналогичным образом другие организмы ( например, морские черепахи, плезиозавры ) используют плавники или другие придатки в качестве весел, используя сопротивление, а не подъем, отталкивая воду назад; креветки и плавающие крабы делают это с плеоподами. У птиц, которые гребут ногами, таких как утки и поганки, ноги расположены на задней части тела, что ухудшает их передвижение по суше. Эти организмы также нуждаются в обтекаемом теле и гладкой коже: у морских черепах даже панцирь ниже, чем у сухопутных черепах, в то время как утиные перья и мех выдры покрыты маслянистым веществом, по которому вода течет с небольшим нежелательным сопротивлением. Плавники могут выполнять различные функции в зависимости от их положения на теле. Плавники выровнены по переднезадней оси, такие как спинной и анальный плавники, делают животное устойчивым, предотвращая его падение на бок; парные плавники, такие как грудной и тазовый плавники, обеспечивают подъем и позволяют менять направление. Джет или реакция движения: головоногие ( каракатицы, осьминоги, кальмары ) и медуз плавать, набирая воду в полость тела и изгнать его с сильным мышечным сокращением, двигаясь по реакции в противоположном направлении относительно струи воды; гребешки плавать "хлопать" снаряды, которые быстро сбрасывает воду со всех сторон, в то время как плоская форма служит на подводных крыльях, не давая ему тонуть. Этот метод передвижения более эффективен, когда жидкость выбрасывается через небольшое отверстие, но он все равно требует много энергии при больших размерах тела. Также организм может плавать, пропуская воду через все тело, отталкивая его назад с помощью последовательности мышечных сокращений, называемых перистальтикой. Осмос — это теоретически возможной, однако не встречающейся или пока ещё неизвестной среди Земных организмов формой передвижения, при которой животное, плавающее в пресной воде или другой очень разбавленной жидкости, обнажает фронтальный полупроницаемый мешок, заполненный высококонцентрированными солями. Осмотическое давление заставляет воду в мешке разбавлять соли; эта вода откачивается в задний мешок, откуда она может быть удалена, как в реактивном двигателе. Чистая вода оказывает давление в 25 атмосфер, или 250 ньютонов силы на каждый открытый квадратный сантиметр. Этот метод может развиваться в океанах, содержащих ядовитые соли, которые должны быть удалены из организма, и/или слишком вязкие, чтобы другие методы были удобными ( например, океаны расплавленной серы ). Также мы можем плавать по поверхности моря, развивая легкие ткани или наполненные газом мешочки, чтобы общая плотность тела была ниже плотности талассогена. Сила, действующая вверх под действием мешка ( или эквивалентной структуры ) F = V·(dt-ds)·g, где V-объем мешка, dt-плотность талассогена, ds-плотность мешка и сила тяжести g; кроме того, мешок может выдерживать массу m = V·(dt-ds). Если масса растет выше этого значения, организм тонет; если она падает ниже, она поднимается на поверхность; если она равна, организм может оставаться стабильным на любой глубине без усилий. Гравитация не влияет на результат, так как она оказывает одинаковое влияние как на восходящие, так и на нисходящие силы. Плавающий организм мог бы затем двигаться с помощью струй воды, последовательно гребя веслоподобными ногами, структурами, похожими на гребные колеса или даже паруса, возможно, направляя своё направление с помощью придатка, похожего на руль. Даже организмы, которые на самом деле не поплавок иметь приспособление для противодействия вес: siphonophores, многих головоногих и костистых оснащены мочевой пузырь полный газ, как, например, плавательный пузырь ( заполненные воздухом ); китообразные имеют толстый слой жира, который легче воды; многие акулы имеют асимметричный плавники длиннее, на брюшной стороне, чем Дорсальный, чтобы подтолкнуть себя вверх при плавании. Ламинария, крупная морская водоросль, держится прямо с помощью пневматоцист, наполненных различными газами. Полёт Существует несколько различных степеней летной специализации. Поскольку ни одна живая ткань не имеет плотности, даже просто сравнимой с воздухом ( хотя некоторые биологически произведенные газы могли бы ), и плавучесть, таким образом, обычно незначительна, большинство форм передвижения по воздуху требуют активного движения. Примечание: плотность газовой смеси может быть получена из плотности ее компонентов. Например, земной воздух на 78% состоит из азота и на 21% из кислорода: таким образом, его общая плотность составляет (0.78*1.25)+(0.21*1.43) = 1.28 г/Л. Примечание 2: плотность газов прямо пропорциональна атмосферному давлению: таким образом, земной воздух при давлении в 3 атмосферы будет иметь плотность 1,28*3 = 3,83 г/л. Нагрев газа делает его менее плотным, но изменение обычно незначительно. Некоторые математические соотношения: скорость движения ( особенно скорости сваливания, минимальная скорость, что позволяет животному оставаться в воздухе ) обратно пропорциональна квадратному корню крыла поверхности (в ~ 1/√х), а также квадратному корню из длины тела (в ~ 1/√л), поэтому, учитывая одинаковые условия, животным с размахом крыльев в четыре раза меньше, чем еще может (и должен) летать в два раза быстрее; это также пропорциональна квадратному корню из атмосферном давлении (в ~ √П) и тяжести (В ~ √Г), Так что животное может летать вдвое быстрее на планете с давлением 4 атм или тяжести 4 G. Формула для оценки поверхности крыла ( в квадратных метрах ), равную S = 0,24(мг)0,82/Р, где m-масса животного (в кг), g - относительная сила тяжести и P-давление ( в атмосферах ). Это также говорит о том, что полет требует меньше энергии в небольших масштабах и, следовательно, был бы предпочтителен организмам весом менее 1 грамма. Смотрите здесь информацию о происхождении и физике полета птиц. Парашют — это простейшая форма воздушного движения, по сути, контролируемое падение. Многие пауки, особенно молодые, позволяют ветру переносить их, подвешенных на нити шелка, часто достигая высоты в несколько километров и преодолевая моря; семена одуванчика делают то же самое. На планетах с сильными ветрами а в плотной атмосфере такой метод позволил бы преодолевать сотни километров в день. Прыжки с парашютом и скольжение очень похожи: но в то время как парашютные организмы используют свои аэродинамические крылья для сопротивления и обычно падают вертикально больше, чем перемещаются горизонтально, скользящие организмы предпочитают подъем и горизонтальное движение. Скольжение: просто мембран для создания подъемной и скользить, произошли по крайней мере шесть раз в млекопитающие ( сахарные поссумы, в большой планер, anomalures, правда, белки-летяги, colugos и Volaticotherium ), десять раз в пресмыкающихся ( летающие драконы, летающие змеи, Holaspis ящериц, четырех видов из гекконов, три вымерших групп ), дважды в земноводных ( Rhacophoridae и Hylidae летающие лягушки ), три раза в рыбах ( пресноводные рыбы-бабочки и hatchetfish ), четыре раза у насекомых ( муравьи, скользя из трех подсемейств и скользя bristletails ) и один раз в моллюсков ( летающие кальмары ). В отличие от полета с двигателем, скольжение не предполагает тяги: скорость, которая создает подъемную силу, задается только силой тяжести ( или "отношение подъемной силы к сопротивлению" ) относительно низкое. Хлопанье крыльями — это наиболее энергозатратный способ полета, включающий циклическое движение крыльев для создания тяги, увеличения скорости и, следовательно, подъемной силы. Взмахивающий полет эволюционировал на Земле четыре раза у насекомых, птерозавров, птиц и летучих мышей. В то время как крылья позвоночных имеют сочленения и могут быть сложены для уменьшения сопротивления, крылья насекомых остаются жесткими во время полета: они движутся мышцами, вставленными в их основание ( у поденок и стрекоз ) или которые деформируют все тело ( у других насекомых ); крылья переворачиваются между движением вниз и движением вверх. Летучие мыши, вместо этого, машут только своими пальцами. В каждом случае удар вниз должен быть сильнее, чем удар вверх. Другим важным фактором является нагрузка на крыло, соотношение между массой птицы ( хотя следует учитывать местную силу тяжести ) и площадью крыла. Парение: будучи способными махать крыльями, многие птицы, особенно большого размера и с низкой нагрузкой ( и, вероятно, самые крупные птерозавры ) развили адаптацию к парящему полету, а именно длинные, узкие и заостренные крылья, укрепленные сухожилиями у альбатросов, что позволяет им летать на большие расстояния ( даже тысячи километров ), не хлопая крыльями, особенно в океанах, где нет места для отдыха. Парящие животные могут извлекать дополнительную подъемную силу из таких явлений, как термальные явления ( столбы теплого и восходящего воздуха ), подъем хребта ( ветер, дующий вверх по склону ), зоны конвергенции ( теплый внутренний воздух выталкивается вверх более холодным морским воздухом ) и тд. Парение — эта форма полёта позволяет животному оставаться неподвижным в воздухе, благодаря закрылкам крыльев, которые оказывают одинаковую силу при движении вверх и вниз. Поскольку в воздухе нет движения, вся подъемная сила должна создаваться взмахами крыльев; поэтому полет в воздухе требует чрезвычайно быстрого взмаха ( по крайней мере, несколько десятков ударов в секунду ) и больше подходит для небольших организмов, где мышечная сила преодолевает вес. Парение практикуется большинством насекомых, но среди позвоночных оно ограничено некоторыми птицами ( в основном колибри ) и летучими мышами, питающимися нектаром; самое крупное парящее позвоночное, пестрый зимородок, весит всего 70-90 граммов.Полет на воздушном шаре: Тип полета, неизвестный на Земле, требует наличия в мешках или полостях газа или смеси газов, менее плотных, чем воздух ( учитывая атмосферу Земли и биохимию, вероятными возможностями были бы водород, метан и монооксид углерода ). Сила тяжести не влияет на полет на воздушном шаре, но размер необходимого мешка зависит от разницы плотностей между газами: литр водорода может выдержать до (1,28 г/л-0,0899 г/л) = 1,19 грамма, литр монооксида углерода (1,28-1,15) = всего 0,13 грамма. Следовательно, для тела весом в 10 килограммов необходим баллон с водородом (10.000/1.19) = 8400 Л = 8,4м³ или баллон с монооксидом углерода (10.000/0.13) = 77.000 Л = 77 м³. Летающие организмы, таким образом, будут стремиться стать очень большими, но с более плотными структурами, разрушенными до костей, за исключением планет с чрезвычайно высоким атмосферным давлением ( при уровне атмосферного давления на Венеры 10-килограммовому животному потребуется всего 92 литра водорода ). Поскольку масса оболочки мешка увеличивается пропорционально поверхности и эффективности газа по объему, полет на воздушном шаре не работает в небольших масштабах; возможно, он мог бы развиться из плавающих животных, которые могли бы начать с малого, вырасти, а затем выйти в воздух. В то время как число крыльев ( крыла ) не влияет на результат, пока существует некое общее поверхности крыла имеется, большинство насекомых имеют две пары крыльев, одной из которых часто специализированные для другой функции: защитный щит ( надкрылья ) у жуков, гироскопы для управления полетом в мух и комаров. У каждого другого летающего животного на Земле не более одной пары крыльев, хотя для разных видов полета можно использовать больше пар в зависимости от их формы. На самом деле у птиц были выявлены различные правильные формы крыльев с различными функциями. Эллиптические крылья. Птицы, живущие в закрытой, препятсвующей продолжительному свободному полёту, среде ( например, в лесу ), такие как фазаны и тетерева, имеют короткие, широкие и слегка изогнутые крылья, которые обеспечивают быстрый взлет и высокую маневренность. Нагрузка на крыло высока. Высокоскоростные крылья. Птицы, которые преследуют добычу, такие как ласточки, стрижи и соколы, имеют тонкие, заостренные крылья, треугольные и заостренные назад, которые позволяют чрезвычайно быстро летать ( до нескольких сотен километров в час ). Парящие крылья. Альбатросы, чайки и фрегатные птицы, которые летают на тысячи километров по океану, имеют очень длинные, узкие и заостренные крылья с острыми концами и компактными основными перьями. У гигантских птерозавров, вероятно, были крылья, похожие на эти, поскольку нагрузка на их крыло будет более низкая. Прорезанные парящие крылья. Деятельность внутреннего парящие птицы, такие как кондоры, ястребы и вороны, имеют длинные и широкие крылья, со слегка расходящимися первичные перья, которые работают как отдельные профилей; аналогично, медленно взмахивая цапли и белые цапли, чьи крылья очень большие, широкие и арочные; аисты и некоторые стервятники еще похожие крылья с длинными первичные перья, чтобы сделать использование каждого воздушного потока. Колибри имеют заостренные, заостренные крылья, которые вращаются у плеча, а не у запястья; это позволяет им биться назад с той же силой, что и вперед, так что движения уравновешивают друг друга. Перемещение поверхности Независимо от количества ног максимальная скорость ходьбы ( не бегом ) животных пропорциональна квадратному корню из их ног и тяжести (в ~ √(ЛГ)), что означает, что животное будет ходить в два раза быстрее, если его ноги находятся в четыре раза больше и сила тяжести в четыре раза сильнее, с погрешностью около ± 10%. На Земле это примерно v = 2,2√l, поэтому животное с ногой длиной 1,5 м будет иметь максимальную скорость ходьбы 2,2√1,5 = 2,2·1,2 = 2,7 м/с = 9,7 км/ч. Передвижение без конечностей Волнообразное движение: возможно, является самым простым методом передвижения на суше, как и в воде, является волнообразное движение тела. Других змей и безногих ящериц ( и угрей, когда они выползают из воды во время миграций ), сгибать их тела вбок благодаря циркулярного мышечного кольца, упираясь неровности почвы; волна движется с той же скоростью змеи, и, таким образом, каждой точке своего тела проходит тот же путь тех, которые им предшествуют. Вертикальная волнистость, однако, почти бесполезна на твердой почве ( на самом деле, это может быть причиной отсутствия млекопитающих без конечностей ): червь двигается, очень медленно, аналогичным образом, имея по две пары ног на каждой конечности. Боковаянамотка: она используется в основном на ровной местности без неровностей, таких как грязевые равнины, рыхлая почва и песчаные дюны. Тело всегда статично, когда соприкасается с землей; змея, кажется, "выбрасывает" голову вперед, а затем части тела следуют за ней, двигаясь по диагонали и образуя своеобразные прямые или J-образные параллельные дорожки, каждая из которых длиной с тело змеи. Гармошка: это типично для закрытых или иных ограниченных пространств, которые не допускают бокового вращения. Туннельная гармошка включает в себя прижимание к стенкам боковыми изгибами корпуса, в то время как древесные изгибы гармошки используются для захвата ветвей, и тело следует фиксированному пути, как при боковой волнистости. Это чрезвычайно медленно, редко быстрее 0,05 длины тела в секунду. Пиявки имеют присоски на каждом конце тела, которые они используют, чтобы закрепиться на земле. Прямолинейное передвижение: змеи с тяжелым телом, такие как удавы и питоны, могут продвигаться по прямой линии, поднимая одновременно одну часть тела. он чрезвычайно медленный, но бесшумный и полезен для преследования хищников. Большие брюшные чешуйки ( щитки ) прижимаются к земле, отталкиваясь от нее назад. Слизняки, улитки, лилипуты, некоторые плоские черви и даже тюлени движутся вперед, колыша свою нижнюю сторону ( педальные волны ); пингвины обычно скользят на животе по снежным склонам. Перистальтика: дождевые черви и другие черви двигаются с помощью серии мышечных сокращений, которые делают попеременно широкие и короткие части тела или растянутые и тонкие. Как и у змеиных скатов, у них есть крошечные щетинки ( сеточки ), заостренные назад, которые заставляют каждую часть тела вытягиваться вперед. Амебоидная локомоция: некоторые слизевики ползают по земле, перемещая взад и вперед свою студенистую массу и вытягивая усики, в то время как некоторые другие образуют движущееся слизеподобное тело. Амебоидная локомоция очень медленная, обычно менее 0,1 длины тела в секунду. Завальцовка: организмы, которые активно закатывают тело в петли, и переместить катая, включают тигр, Жук, личинки, Nannosquilla рак-богомол, многоножки и саламандры; гусеница Pleurotya можете крен в 40 см/с, в сорок раз его скорость ходьбы, на колеса пауки в 1 м/с ( двадцать оборотов в секунду ); перекати-поле оторвать от своих корней и рулон, чтобы рассеивать семена. Другие животные, большинство из которых бронированы ( ящеры, ежи, броненосцы, ящерицы-броненосцы, галечные жабы, мокрицы, трилобиты ), обычно принимают сферическую форму и катятся с помощью силы тяжести или собственного движения. Колеса? Несмотря на простоту конструкции колеса, в макроскопическом организме никогда не было обнаружено настоящей вращающейся структуры: ближайший пример-бактериальный жгутик, белковая трубка, которая вращается в кольце, приводимом в движение потоком протонов. Однако, когда дело доходит до многоклеточных видов, возникает необходимость вырастить колесо из живых клеток, что, в свою очередь, требует потока питательных веществ; поскольку колесо должно вращаться вокруг оси, к нему невозможно подключить нервы и кровеносные сосуды ( если только оно не установлено на исключительно эластичном стебле и периодически не разматывается ). Писатель Филип Пулман разработал решение, основанное на симбиозе: мулефа фиксирует круглые и перфорированные семенные стручки на двух ножках, двигаясь с помощью двух других. Более того, колеса требуют ровного, ровного и жесткого грунта, чтобы быть более эффективными, чем конечности, которые гораздо более полезны на неровном или мягком грунте. Можно было бы найти естественные приближения дорог - например, лед или скалы, сильно разрушенные ветром, - но организмы, которые строят дороги для себя, станут жертвами сильного паразитизма, учитывая, что каждый строитель обеспечит полезную работу для многих других людей. Наконец, колеса не очень универсальны, плохо справляются с вертикальными препятствиями и нелегко адаптируются для других задач, кроме передвижения. Строение и осанка ног В животном царстве количество конечностей варьируется от нуля до многих десятков, хотя наибольшее их число демонстрирует недостаточную универсальность ( многоножки и многоножки двигают всеми своими ногами в волнообразной последовательности, не в состоянии контролировать их по одной за раз ). Наиболее успешные группы наземных животных с конечностями, четвероногие и насекомые, как правило, имеют соответственно четыре и шесть конечностей; большее число не требуется, но может эволюционировать из-за эволюционных ограничений. Поскольку плоскость можно идентифицировать с тремя точками, то три ноги — это минимальное количество ног, необходимое для того, чтобы животное всегда оставалось на земле без сложной системы балансировки. Двуногие обычно имеют горизонтальное положение, в котором голова и хвост уравновешивают вес друг друга ( как у динозавров-тероподов и кенгуру ); моноподы, передвигаются с помощью одной ноги посредством прыжков. Поскольку все наземные животные обладают двусторонней симметрией, число конечностей обычно четное; нечетные функциональные придатки, как правило, являются узкоспециализированными органами ( яйцеклад осы, жало скорпиона ) или хватательными структурами ( хоботок слона, цепкие хвосты ); если они происходят от плавников, как это произошло у четвероногих, они, вероятно, будут парными, учитывая необходимость парных плавников для обеспечения стабильности при плавании. Согласно оценке некоторых учёных, компромисс между весом и силой конечностей означает, что более крупным животным нужно меньше ног; поскольку они, скорее всего, будут двигаться медленно и, следовательно, должны будут все время держаться на земле на трех футах, четыре ноги, по-видимому, являются оптимальным количеством конечностей для самых тяжелых движущихся организмов. Количество пальцев также, вероятно, будет сильно варьироваться, так общая тенденция, по-видимому, заключается в сокращении: у первых четвероногих было шесть или восемь пальцев, которые вскоре сократились до пяти, и с тех пор ни у одного известного четвероногого никогда не было более пяти пальцев ( у некоторых ихтиозавров их было шесть, но они только сливались вместе в лопастеподобную конечность, а не дифференцировались ). Подобное сокращение легче всего можно обнаружить у бегающих животных: страусы, олени, газели, лошади и литоптерн сократили число своих пальцев до двух или даже одного. Мягкие мускулистые конечности ( щупальца ) не годятся для того, чтобы выходить из воды, так как они плохо выдерживают вес ( хотя гидравлические мышцы могли бы производить более мощные щупальца ). Что касается формы конечностей, то скорость движения напрямую влияет на их длину. Учитывая взаимосвязь между скоростью движения и длины ног, быстрее животных продлит их ноги ходить только на самом кончике ( digitigrades ), или даже на ногтях ( unguligrades ), а в тех, кто нуждается меньше скорость, но больше вес-подшипник последний сегмент конечности ( стопы ) будет полностью касаться земли ( plantigrades ). Широкие ступни также полезны на подвижных грунтах, таких как грязь и песок, в то время как животные, передвигающиеся по скалам, будут в основном негулиграми ( в крайнем случае можно упомянуть Клипспрингеру, африканскую антилопу, которая стоит на вертикальных копытах ). Виды с длинными или хрупкими пальцами ( цепкие пальцы горилл и шимпанзе или изогнутые когти муравьедов и наземных ленивцев ) ходят на костяшках пальцев. Поза ( то, как тело поддерживается ногами ) может быть грубо разделена на вытянутую ( ноги торчат вбок ) и прямую ( ноги вертикально под телом ). Вытянутая поза используется амфибиями и ящерицами; прямая поза динозаврами, птицами, млекопитающими; промежуточная ( полустоячая ) поза используется насекомыми, однообразными и более крупными рептилиями, такими как крокодилы и вараны. Расстояние суставов от тела при растянутой позе создает крутящий момент что делает вес тела гораздо более обременительным для поддержки; таким образом, поза растянутого тела не приспособлена для животных большого размера ( особенно при высокой гравитации ), а ноги со многими суставчатыми сегментами лучше всего складывать под туловищем. Вытянутые ноги, однако, могут быть полезны для сопротивления боковым силам, таким как водные течения, приливные течения и (в очень малых масштабах) ветер, или, возможно, при движении по вертикальным поверхностям. Походка — это схема, в соответствии с которой ноги двигаются во время передвижения, что можно классифицировать на симметричную, асимметричную или прыжковую ( независимо от того, следует ли движение с одной стороны за движением с противоположной стороны или нет ), при ходьбе и беге ( независимо от того, касается ли хотя бы одна нога земли в любой момент или нет ) или в зависимости от количества конечностей. Фаза это доля шага, которая проходит между контактом одной ноги с землей и следующим шагом ( для походки при ходьбе это обычно (100/N)%, где N-количество ног ). Время контакта каждой ступни также выражается в долях. ( примечание: LH = левая задняя часть; LF = левая передняя часть; RF = правая передняя часть; RH = правая задняя часть ) Брахиация: некоторые древесные животные, такие как гиббоны и орангутанги, перемещаются между тремя ветвями, размахивая руками. В течение подобного передвижения тело существа работает как маятник ( таким образом, правило v ~ √(lg) должно оставаться в силе ). Многоножки ходят, перемещая ряды своих ног волнообразно, создавая "скопление" поднятых конечностей, которые, кажется, двигаются вперед или назад, когда ноги перемещаются последовательно. При движении назад ноги сцепляются на земле и остаются на расстоянии в воздухе ( возможно, заставляя животное перемещать их в сторону ), в то время как движение вперед имеет противоположный эффект, так что ноги равномерно расположены, когда они касаются земли. У кенгуру очень своеобразная походка, при которой они передвигаются пятью придатками, чередуя движение двух больших ног с движением рук и хвоста. Наконец, "газель ксенохокс" вращается вокруг своей оро-аборальной оси, параллельной земле; его три шипастых тела несут три ноги, каждая из которых направлена вверх, прежде чем удариться о землю. Поскольку поверхностное натяжение измеряется в единицах силы на единицу длины, где сила параллельна поверхности жидкости, но перпендикулярна длине. направленная вверх сила, необходимая для противодействия весу, создается нитевидными нитями, такими как волосы, покрывающие ступни водоноса. Разумная общая длина 100 метров для всех волос дает 100*(s/1000) ньютонов силы, где s-поверхностное натяжение; для воды и серы-7,3 Н; для циана и жидкого аммиака-всего 2,3 Н. При земной гравитации 9,8 м/с², это означает 7,3/9,8 = 0,744 кг на поверхности воды и серы, 2,3/9,8 = 0,235 кг на цианогене и аммиаке. Поскольку поверхностно-активные вещества снижают поверхностное натяжение, их можно выделять и использовать, как это делает жук-стенус, для уменьшения поверхности позади, создавая тем самым чистую силу, толкающую вперед; водный хищник может использовать их, чтобы заставить добычу, идущую, подобно водомерке, по поверхности, упасть в жидкость внизу. То, что сказано о структуре конечностей и походке для передвижения по суше, все еще применимо, учитывая, что ходьба по поверхности работает только для очень маленьких организмов.