Rangka dan tuil

Setiap haiwan yang berjalan, berlari, berenang atau terbang ialah mesin yang dibina daripada tiga jenis bahagian: tulang yang mengekalkan bentuknya, sendi yang membolehkannya berpusing, dan otot yang membekalkan daya. Gabungkan semuanya dan kamu akan mendapat satu set tuil. Apabila kamu boleh melihat anggota sebagai tuil, kaki cheetah, tapak kaki tikus mondok dan lengan kamu sendiri semuanya mula masuk akal.

Otot hanya menarik. Otot menjadi lebih pendek apabila diaktifkan, dan itulah sahaja yang boleh dilakukannya. Otot tidak boleh menolak. Untuk menggerakkan sendi dalam dua arah, badan menggunakan pasangan antagonis: dua otot pada sisi bertentangan sendi. Pada lengan atas kamu, bisep membengkokkan siku dan trisep meluruskannya. Apabila satu otot menarik, otot yang satu lagi mengendur.

Otot melekat pada tulang melalui tendon, iaitu tali gentian yang kuat. Apabila otot memendek, otot menarik tendon, tendon menarik tulang, dan tulang berpusing pada sendi.

Peraturan tuil. Kesan putaran dipanggil momen: daya didarab dengan jarak serenjangnya dari sendi. Anggota yang tidak bergerak mempunyai momen yang sama besar dan bertentangan:

F_muscle × d_muscle = F_load × d_load

Kelebihan mekanik ialah MA = d_muscle / d_load. Kebanyakan otot melekat sangat dekat dengan sendi, jadi d_muscle adalah kecil dan MA kurang daripada 1. Ini bermakna otot mesti menarik dengan lebih kuat daripada beban yang dipegangnya.

Contoh lengkap (dipermudah). Pegang beg 2 kg di tangan dengan lengan bawah mendatar. Bebannya ialah 2 kg × 9.81 m/s² ≈ 19.6 N. Katakan bisep menarik pada jarak 4 cm dari siku dan beg berada 32 cm dari siku. Maka F_muscle = 19.6 N × 0.32 m / 0.04 m ≈ 157 N. Otot menarik kira-kira lapan kali ganda berat beg itu. (Kita tidak mengambil kira berat lengan bawah itu sendiri, jadi otot sebenar menarik sedikit lebih kuat.)

Apa yang dikorbankan dan diperoleh. Lekatan pendek yang mengurangkan daya memberikan laju dan julat. Apabila bisep memendek sebanyak 1 cm, tangan bergerak sejauh 8 cm. Tangan berada lapan kali lebih jauh dari siku berbanding tendon, jadi tangan bergerak sejauh lapan kali ganda, dalam masa yang sama, pada kelajuan lapan kali ganda.

Jadi, haiwan perlu memilih antara dua kelebihan. Anggota dengan lengan otot yang pendek dan lengan beban yang panjang adalah laju tetapi lemah. Anggota dengan lengan otot yang panjang dan lengan beban yang pendek adalah perlahan tetapi kuat. Evolusi melaraskan nisbah ini mengikut tugas:

• Pelari seperti kuda atau gazel mempunyai kaki bawah yang panjang dan ringan. Tapak kaki bergerak jauh bagi setiap sedikit pemendekan otot: laju.
• Penggali seperti tikus mondok atau armadillo mempunyai tuil yang panjang untuk otot (unjuran tulang yang panjang pada siku, tempat trisep yang besar melekat) dan tulang yang pendek serta kukuh pada tapak kakinya. Haiwan ini mengorbankan julat demi daya.

Pelan sama, tugas berbeza. Lihat bahagian dalam lengan manusia, sayap kelawar, sirip ikan paus dan kaki kuda. Dalam setiap satunya, kamu akan menemui susunan tulang yang sama: satu tulang panjang pada anggota atas (iaitu humerus), dua tulang pada anggota bawah (radius dan ulna), tulang kecil pada pergelangan tangan, serta tulang untuk tangan dan jari. Inilah anggota pentadaktil ('lima jari'). Perinciannya berbeza: kuda mempunyai satu jari kaki yang panjang, kelawar mempunyai jari yang sangat panjang, dan jari paus berada di dalam sirip. Ahli biologi memanggil tulang yang mempunyai asal usul yang sama, tanpa mengira tugasnya, sebagai struktur homolog. Tulang-tulang ini ialah bukti bahawa haiwan tersebut berasal daripada nenek moyang yang sama.

Berhati-hati dengan idea yang kelihatan serupa. Sayap burung dan sayap serangga melakukan tugas yang sama, tetapi kedua-duanya dibina daripada bahagian yang sama sekali berbeza. Sayap itu analog, bukan homolog.