Почему белки так легко скачут по деревьям?
Наверняка многие из вас наблюдали в парках за белками. Вы, конечно же, видели, с какой лёгкостью эти звери лазают по стволам вверх и вниз – как будто для них нет разницы в направлении, подумаешь, нужно бежать по горизонтальной ветке или по вертикальному стволу. Вот, полюбуйтесь снова:
А вы помните, как в школе взбирались по канату на уроках физкультуры? Уж точно вы делали это совсем не с беличьим изяществом (автор этих строк со стыдом признаётся, что не мог подняться и на полметра). Да что там канат! Даже быстрый подъём по крутой лестнице многим из нас даётся с трудом. Можно, конечно, списать это на отсутствие тренировок, гиподинамию современных городских жителей, да много что ещё можно выдумать… Добавим же к списку наших оправданий ещё и физику.
Если вы взглянете на белку, то увидите, что она не то чтобы очень сильно приспособлена к древесному образу жизни. По крайней мере, нет каких-то ярких, сразу бросающихся в глаза морфологических черт. Сравните белку, например, с паукообразной обезьяной. Вот это высокоспециализированный житель деревьев, сразу видать!
Конечно, нельзя сказать, что белки совсем не специализированы. Так, к семейству беличьих (Sciuridae), наряду с собственно белками, принадлежат также сурки, суслики и луговые собачки – так называемые наземные беличьи. Это жители открытых пространств, они роют норы и с деревьями особо не взаимодействуют. Сравните устройство лап тех и других:
У древесных жителей когти короткие, загнутые и острые – такими удобно цепляться за выступы коры. У норных – длинные, притупленные и почти прямые, это хорошие лопаты. Но – и только. Есть ещё несколько мелких особенностей в перераспределении массы мышц и т.п., но в целом можно заключить следующее: те же сурки гораздо более явно приспособлены к роющему образу жизни, чем белки – к древесному.
Зайдём теперь с другой стороны. Есть и более мелкие звери в наших широтах, живущие на деревьях, например, сони (масса сони-полчка в два раза меньше массы белки), есть и более крупные – коты и рыси. Белка весит примерно 300 г, рысь – 20 кг, и уже рыси весьма тяжело лазать по деревьям. Вот, взгляните на это видео:
У рыси нет отговорок типа нетренированности и гиподинамии, поэтому чисто «механическое» объяснение здесь и будет самым верным.
Сколько энергии нужно затратить, чтобы поднять тело массой m на высоту h? При подъёме физического тела на определённую высоту его энергия увеличивается. Этот вид энергии называется потенциальной энергией Ep (строго говоря – потенциальной энергией гравитационного взаимодействия в поле тяготения Земли, но в «школьной» физике другие виды потенциальных энергий не рассматриваются, да и нас сейчас они тоже интересовать не будут). Вычисляется она по простой формуле:
g в этой формуле – это ускорение свободного падения, приближенно равное на Земле 9,81 Н/кг. Отсюда несложно вычислить, что подъём тела массой 1 килограмм на высоту 1 метра будет стоить нам
Разумеется, это равенство выполняется только в том случае, если КПД «подъёмника» составляет 100%, чего, конечно, никогда не бывает. КПД мышц животных слабо зависит от конкретного вида и составляет в среднем примерно 25% (Hill, 1950). Отсюда
Вот, это число уже гораздо ближе к истине. А теперь обратите внимание, что зависимость потенциальной энергии от массы – линейная. Всё просто – чем больше масса, тем больше требуется энергии для её подъёма. Пойдём же ещё дальше – вычислим удельную потенциальную энергию:
Это значит, что на перемещение 1 килограмма массы тела на 1 метр вверх затрачивается абсолютно одинаковая энергия (с учётом КПД), и эта величина не зависит от массы тела. А что зависит от массы тела? Если вы перечитаете материал «Сколько лошадиных сил в лошади?», то вспомните, что мощность (то есть энергия в единицу времени), производимая животным, связана с массой следующим соотношением:
Удельная же мощность, как несложно вычислить, считается так:
Сравним же удельные мощности белки и рыси (то есть то, сколько джоулей энергии в единицу времени способен производить килограмм белки и килограмм рыси). Продолжим использовать знак «∝» (пропорционально), а не «=» (равно), потому что по этой формуле вычисляется не только интенсивность метаболизма («мощность») в покое, но и при физической работе тоже – просто коэффициент пропорциональности будет другой. Итак
Это значит, что 1 килограмм белки производит энергии почти в три раза больше, чем один килограмм рыси. Но ведь затраты энергии на подъём одинаковы у обоих зверей, как мы рассчитали выше! Можно интерпретировать это следующим образом. И белка, и рысь во время бега по горизонтальной поверхности тратят некоторое количество энергии, прямо пропорциональное их мощности. Перемещение вверх по вертикальной поверхности требует затраты дополнительной энергии по сравнению с «горизонтальным» уровнем. Однако этот прирост дополнительной энергии в пересчёте на килограмм массы тела у белки будет почти в три раза меньше, чем у рыси, то есть белке придётся дополнительно тратить не так уж и много энергии по сравнению с рысью – просто потому, что она и так в покое сжигает какое-то невероятное количество калорий.
Это не умозрительные расчёты. Сходные данные были получены экспериментально (Taylor et al., 1972), правда, опыты ставились не на белках и рысях, а на мышах и шимпанзе, которые бегали по наклонному тредбану (разновидности беговой дорожки).
Из таких рассуждений следует два важных вывода.
Во-первых, крупным животным очень тяжело ходить по пересечённой местности.
Например, перемещения слонов, отслеженные с помощью GPS, показали, что они всеми правдами и неправдами стараются избегать на своём пути всякие холмики и прочие возвышенности. И это неудивительно – взгляните, как преображается в слоновьих глазах обычный равнинный ландшафт:
Во-вторых, мелким животным в прямом смысле слова почти всё равно, где бегать – по горизонтальной или вертикальной поверхности.
Этим легко объясняется тот факт, что большинство мелких древесных зверей не обнаруживает каких-то адаптаций к лазанию – они им и не нужны (и потому крысы так легко заселяют не только подвалы, но и чердаки). Есть лапы для бега по земле – сгодятся и для бега по стволам и ветвям. Это преимущество очень быстро теряется при увеличении массы тела: вот почему белка – это, вообще говоря, уже относительно крупный древесный грызун, есть куча грызунов мельче, но мало – ощутимо тяжелее. Такая же ситуация и в других систематических группах, судите сами. Многие куньи хорошо лазают, но охотиться на деревьях позволяют себе только относительно мелкие куницы и соболя (и то часть пищи они могут находить на земле), а уж какие-нибудь росомахи – целиком наземные хищники (хотя добычу на деревьях прятать могут). Кошачьи – аналогично, охотиться в кронах могут только мелкие кошки (вроде домашней), а та же рысь или леопард обычно только устраивают засады на ветвях на наземную дичь, а уж львы и тигры изредка залезают на деревья, чтобы на ветвях поваляться, не больше. Дело не в том, что ветви деревьев не выдержат веса крупного зверя – в экваториальных лесах, например, встречаются очень толстые ветки – просто самому зверю очень тяжело лезть вверх.
Единственное значимое исключение из этого правила – это приматы. Тут нужно снова вернуться к вопросу о КПД зверей и рассмотреть его подробнее. Хотя мышцы всех зверей обладают одинаковым КПД, это не значит, что одинаковым КПД будет обладать система рычагов, передающих мышечное усилие, то есть конечностей. Собака, сходная размером с кошкой, ничуть не слабее последней, однако на дерево залезть не может – слишком тупые когти, слишком длинные и прямые ноги и т.п. При этом теоретически собаку можно попробовать научить подтягиваться на передних лапах, быстро перебирать задними, и всё такое, но энергии у неё на это будет уходить намного больше, чем у кошки – скелет собак слишком хорошо заточен под бег на плоской поверхности.
Крупные грызуны, куньи и кошачьи именно потому пасуют перед лазанием, что их скелет по сравнению с их мелкими собратьями не претерпел значительных изменений, только мелким всё равно, где бегать, а крупным – уже не всё равно. Но приматы не таковы. Их эволюционная история начиналась, разумеется, с мелких форм – как и у многих других зверей. Эти мелкие формы перешли к лазанию по деревьям именно в силу описанных выше причин – потому что для них не было разницы. Однако впоследствии приматы стали специализированными жителями деревьев – потребителями плодов, молодых побегов, насекомых, живущих под корой. Всю эту пищу можно добыть только в кронах деревьев. И когда среди приматов начали появляться более крупные формы, то путь на землю для них оказался закрыт (в отличие от грызунов или хищных). Как мы уже обсуждали в материалах «Сколько лошадиных сил в лошади?» и «Правда ли, что арктические животные крупнее?», быть большим – это в целом выгоднее. Существует даже эмпирическое палеонтологическое правило, называемое законом Копа, согласно которому внутри отдельной филогенетической линии размер тела всегда будет увеличиваться в процессе эволюции. Так вот, приматы тоже следуют закону Копа, однако, будучи неспособными спуститься на землю, они начали совершенствовать свою анатомию для лазания.
Обитание в трёхмерной древесной среде (в противовес «двумерной» жизни на земле) способствует изрядному развитию мозга. Однако у мелких зверей есть свои ограничения на размер мозга, от которых крупный зверь оказывается освобождён. Таким образом, жизнь в кронах вместе с увеличением размеров тела сыграли определённую роль в эволюции приматов.
Дисклеймер: антропогенез – крайне сложный и многофакторный процесс. Я ни в коем случае не пытаюсь заявить, что приведённое объяснение – главное или даже единственное. Напротив, в эволюции человека и его древесных предков сработало много разнообразных триггеров, и подобный «механический» – лишь один из них.
Впоследствии, когда обезьяны приобрели сложную социальную организацию, способность добывать самую разнообразную пищу, а некоторые – способность изготавливать простейшие орудия, они смогли слезть с деревьев. Таковы не только предки людей, но также, например, и разнообразные павианы. Но всё это случилось сильно позже обсуждаемых нами эволюционных событий.
Мелкие звери обладают колоссальной тепловой мощностью и, как следствие, энергией, которую они могут высвобождать для бега по наклонным и отвесным поверхностям. Поэтому такие звери с лёгкостью переходят от жизни на поверхности почвы к жизни в кронах деревьев. Именно эта эволюционная «лёгкость» позволила в своё время приматам стать древесными жителями, что впоследствии отразилось и на развитии их мозга.
Литература
Для тех, кто желает глубже погрузиться в тему энергетических затрат на лазанье, можно порекомендовать следующие статьи.
Всё началось с этой работы:
Taylor C. R., Caldwell S. L., Rowntree V. J., 1972. Running up and down hills: Some consequences of size // Science. Vol. 178. № 4065. P. 1096 – 1097.
С затратами на подъём у очень тяжёлых животных можно ознакомиться в этом кратком сообщении:
Wall J., Douglas-Hamilton I., Vollrath F., 2006. Elephants avoid costly mountaineering // Current Biology. Vol. 16. P. R527 – R529.
А о роли затрат на лазанье в эволюции приматов – здесь:
Hanna J. B., Schmitt D., Griffin T. M., 2008. The energetic cost of climbing in primates // Science. Vol. 320. № 5878. P. 898.
Hanna J. B., Schmitt D., 2011. Locomotor energetics in primates: Gait mechanics and their relationship to the energetics of vertical and horizontal locomotion // American Journal of Physical Anthropology. Vol. 145. № 1. P. 43 – 54.
А тут рассказывается о множестве различных параметров мышц (силе, скорости и т.п.), в том числе – и об их КПД:
Hill A. V., 1950. The dimensions of animals and their muscular dynamics // Science Progress. Vol. 38. № 150. P. 209 – 230.
Все права на данный текст принадлежат паблику «Инженерная биология». Использование этого текста разрешается в некоммерческих целях и при наличии активной ссылки на оригинал.