Скелеты и рычаги

Каждое животное, которое ходит, бегает, плавает или летает, — это машина, состоящая из трёх видов частей: костей, которые поддерживают форму тела, суставов, которые позволяют ему поворачиваться, и мышц, которые создают силу. Соедини их — и получишь систему рычагов. Когда научишься видеть в конечности рычаг, тебе станут понятны и нога гепарда, и лапа крота, и твоя собственная рука.

Мышцы только тянут. Когда мышца включается, она укорачивается — и это всё, что она может делать. Толкать она не умеет. Чтобы двигать сустав в обоих направлениях, тело использует пары мышц-антагонистов: две мышцы по разные стороны сустава. В твоей верхней части руки двуглавая мышца сгибает локоть, а трёхглавая мышца разгибает его. Когда одна тянет, другая расслабляется.

Мышца прикрепляется к кости с помощью сухожилия — прочного тяжа из волокон. Когда мышца укорачивается, она тянет сухожилие, сухожилие тянет кость, а кость поворачивается вокруг сустава.

Правило рычага. Вращающий эффект называется моментом силы: это сила, умноженная на её перпендикулярное расстояние от сустава. У неподвижной конечности моменты сил равны и противоположно направлены:

F_muscle × d_muscle = F_load × d_load

Механическое преимущество — это MA = d_muscle / d_load. Большинство мышц прикрепляется очень близко к суставу, поэтому d_muscle мало, а MA меньше 1. Это значит, что мышца должна тянуть сильнее, чем нагрузка, которую она удерживает.

Разобранный пример (упрощённый). Держи в руке сумку массой 2 kg, удерживая предплечье горизонтально. Нагрузка равна 2 kg × 9,81 m/s² ≈ 19,6 N. Предположим, что двуглавая мышца тянет на расстоянии 4 cm от локтя, а сумка находится на расстоянии 32 cm от локтя. Тогда F_muscle = 19.6 N × 0.32 m / 0.04 m ≈ 157 N. Мышца тянет примерно в восемь раз сильнее, чем вес сумки. (Мы не учитывали вес самого предплечья, поэтому в реальности мышца тянет немного сильнее.)

Что ты теряешь и что получаешь. То же короткое плечо прикрепления, из-за которого требуется больше силы, даёт скорость и размах движения. Когда двуглая мышца укорачивается на 1 cm, кисть перемещается на 8 cm. Кисть находится в восемь раз дальше от локтя, чем сухожилие, поэтому за то же время она проходит в восемь раз большее расстояние и движется в восемь раз быстрее.

Поэтому животным приходится выбирать. Конечность с коротким плечом мышцы и длинным плечом нагрузки — быстрая, но слабая. Конечность с длинным плечом мышцы и коротким плечом нагрузки — медленная, но сильная. Эволюция подбирает это отношение для конкретной задачи:

• У бегуна, например у лошади или газели, длинная и лёгкая нижняя часть ноги. Стопа проходит большое расстояние при каждом небольшом укорочении мышцы: это даёт скорость.
• У копателя, например у крота или броненосца, длинное плечо рычага для мышцы (длинный костный выступ у локтя, к которому прикрепляется крупная трёхглавая мышца) и короткие крепкие кости в лапе. Такое строение уменьшает размах движения ради большей силы.

Один план — разные задачи. Загляните внутрь руки человека, крыла летучей мыши, ласта кита и ноги лошади. В каждом случае вы найдёте одну и ту же последовательность костей: одну длинную кость в верхней части конечности (плечевая кость), две в нижней (лучевая и локтевая), маленькие кости запястья, а также кости кисти и пальцев. Это пятипалая конечность («пятипалая»). Детали различаются: у лошади один длинный палец, у летучей мыши очень длинные пальцы, а пальцы кита находятся внутри ласта. Биологи называют кости, имеющие общее происхождение независимо от их задач, гомологичными структурами. Они доказывают, что эти животные произошли от общего предка.

Будьте внимательны: есть похожая идея. Крыло птицы и крыло насекомого выполняют одну и ту же задачу, но состоят из совершенно разных частей. Они аналогичные, а не гомологичные.