На грани возможного: Наука выживания

На скорость влияет и длина, и частота шага. Знаменитый гипнотизирующий «размашистый» бег жирафа получается благодаря широкому, но плавному, небыстрому шагу. Более мелкие животные могут достичь такой же скорости, укоротив шаг, но быстрее перебирая ногами, – так поступает, например, бородавочник. Схожую картину можно увидеть, сидя в уличном кафе и наблюдая за прохожими: людям с коротким шагом приходится семенить вприпрыжку за своими спутниками с размашистой походкой. Рекордсмены животного мира по бегу движутся большими и быстрыми шагами.

У быстроногих животных конечности по отношению к туловищу длинные, дающие тот самый размашистый шаг. У многих в процессе эволюционного развития менялись кости стопы. Хищники и птицы бегают, по сути, на полупальцах. У копытных дело зашло еще дальше – у них кости стопы для большей прочности сплавлены в одну, которая и образует копыто. У лошади остается один-единственный палец, на котором она и бежит, как на пуантах. Кроме того, конечности у быстроногих животных облегченные – за счет сокращения размеров костей стопы и смещения мышц и как можно большего числа других тканей ближе к корпусу. Длинные стройные ноги – отличительная черта бегуна. Гибкий позвоночник у кошачьих и собачьих тоже помогает увеличить размах. Растягивая спину, гепард добавляет себе несколько дюймов (сантиметров десять) длины. При этом он должен рассчитывать движения так, чтобы спина растягивалась лишь в тот момент, когда задние ноги отталкиваются от земли.

Кроме того, бегун должен быстро перебирать ногами. Лошадь в галопе делает 2,5 шага в секунду, гепард – по меньшей мере 3,5. Однако чем чаще шаг, тем чаще сокращаются ножные мышцы. Таким образом, предел скорости определяется частотой мышечных сокращений. У млекопитающих эта частота примерно одинакова. Однако длинные мышцы сокращаются медленнее, поэтому у крупных животных преимущество в виде длинных конечностей нивелируется более низкой скоростью шага. Именно поэтому жираф, несмотря на длинные ноги, не может соперничать с гепардом. У некоторых животных – лошадей, например, – эта проблема решилась природой за счет относительного укорачивания мышц и удлинения сухожилий.

Многое зависит также от того, где именно мышечные сухожилия прикрепляются к костям конечностей. У быстроногих мышца присоединяется ближе к плечевому суставу, поэтому на движение конечности уходит меньше энергии. По сути, эти животные всю жизнь проводят на «высокой передаче». Ходячие животные (к которым относится и человек) или роющие (типа барсука) работают на «низкой передаче». Их мышцы крепятся гораздо ниже плечевого сустава, что повышает силу, но снижает скорость. Еще один фокус, к которому прибегают быстроногие животные, – использовать разные мышцы для одновременного продвижения вперед разных суставов конечности. Скорость при этом повышается по тому же принципу, по которому увеличивает скорость идущего человека работающий эскалатор. Чем больше суставов действуют одновременно, тем быстрее движется нога. Лошадям прибавляет скорости дополнительный сустав, образованный копытом.

Некоторые животные для более стремительного движения вперед используют упругую отдачу. У лошадей в ноге имеется связка, которая накапливает энергию, когда копыто касается земли, и высвобождает ее, когда копыто отрывается от поверхности. При ударе копыта об землю путовый сустав сгибается, натягивая при этом проходящую вдоль него эластичную связку. При отрыве от земли сустав распрямляется, возвращая связке прежнюю длину, что сопровождается выбросом энергии, придающей ноге дополнительный толчок. Благодаря этой связке исчезает необходимость в тяжелых мышцах и конечность становится легче, что также играет большую роль при наборе скорости. Все это помогает лошади отлично бегать.

Длинные ахилловы сухожилия у кенгуру выполняют ту же функцию, что и эластичная связка у лошади. Они экономят целых 40 % энергии, уходящей на отталкивание задними ногами, и позволяют кенгуру повысить скорость прыганья с 7 до 22 км/ч, не увеличивая при этом потребление кислорода. Другими словами, кенгуру набирает скорость без всяких дополнительных усилий. Происходит это за счет пружинящих вверх-вниз, как у «прыгалки-кузнечика», сухожилий. Как у тугого мяча, основная энергия у кенгуру уходит на первый прыжок, а последующие совершаются за счет упругой отдачи. На высокой скорости энергии накапливается больше, поэтому усилий уходит сравнительно меньше.