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.
Энергосберегающую роль упругой отдачи можно наблюдать на простом примере. Отложите книгу, встаньте и быстро сделайте десять глубоких приседаний. Затем сделайте то же самое, только, перед тем как выпрямлять ноги, каждый раз считайте до 60. Вы почувствуете, насколько труднее дается упражнение. Происходит это потому, что при опускании на корточки мышцы-разгибатели находятся в напряжении, контролируя степень спуска. Если они сразу после этого сократятся, напряжение превратится в упругую отдачу, но если дать им расслабиться, напряжение спадет и пружинистости не возникнет. Благодаря упругой отдаче в мышцах мы достаточно легко скачем на месте. Она же придает пружинистость походке и помогает экономить энергию при беге. Энергия запасается в икроножных мышцах и ахилловом сухожилии, когда ступня касается земли, и высвобождается при толчке, когда мышцы сокращаются. Конструкция беговых кроссовок способствует усилению упругой отдачи.
«Четыре ноги хорошо, две ноги – плохо» – знаменитый лозунг героев сатирического произведения Джорджа Оруэлла «Скотный двор». Все рекорды скорости и выносливости действительно принадлежат четвероногим, однако в самом ли деле четыре ноги лучше двух? К сожалению, однозначного ответа на этот вопрос нет, поскольку скорость определяется не только числом ног. Размер животного, длина конечностей, гибкость спины и походка – все это также играет немаловажную роль.
Размер имеет значение
Размер, как всегда, определяет многое. Чем крупнее животное, тем труднее ему бежать. Происходит это потому, что сила мышц возрастает пропорционально квадрату сечения. Однако масса тела при этом растет пропорционально кубу длины. Увеличьте длину тела животного вдвое, и его вес увеличится в восемь раз, но мышечная сила при этом вырастет всего в четыре раза. Кроме того, при увеличении размеров корпуса труднее становится двигать конечностями, а у самых крупногабаритных тело будет трудно поддерживать даже в покое. Именно этот фактор ограничивает размеры сухопутных животных (морские, в отличие от них, могут вырастать и крупнее – как, например, синий кит, поскольку вода забирает часть веса на себя).
Широко известно, что блохи и кузнечики могут прыгать на высоту, более чем в 50 раз превышающую длину их тела. Для человека это означало бы подпрыгнуть с места на 100 м вверх. Мировой рекорд по прыжкам в высоту гораздо скромнее – всего 2,45 м, а если прыгать с места, то даже ведущий спортсмен возьмет максимум 1,6 м. Как же удается совершать такие немыслимые прыжки кузнечикам и блохам? Дело всего-навсего в размерах – крупное животное физически неспособно подпрыгнуть на такую же высоту относительно размеров своего тела, как мелкое. Ведь согласно физическим законам похожие животные должны достигать в прыжке одной и той же высотной отметки, независимо от размеров тела.
Чтобы понять, почему дело обстоит так, необходимо вспомнить, что мышцы человека и насекомого развивают одинаковую силу на площадь поперечного сечения и что сила мышцы определяется именно этой величиной. Масса (или объем) тела животного возрастает пропорционально кубу длины, тогда как площадь поперечного сечения мышцы растет всего лишь пропорционально квадрату длины. Отсюда следует, что относительно массы тела у более крупного животного сил для прыжка окажется меньше. Крупное животное может слегка повысить свою прыгучесть, увеличив долю массы, которая приходится на прыжковые мышцы. Именно так происходит у сенегальского галаго, относящегося к мелким тропическим приматам. В относительных цифрах его мышечная масса в два раза превышает человеческую. Поэтому галаго может с места подпрыгнуть на 2,2 м – примерно в три раза выше, чем человек (рекорд по прыжкам в высоту с места составляет 1,6 м, но оттуда нужно вычесть еще примерно метр, поскольку именно на такой высоте располагается центр тяжести у человека). Тем не менее очевидно, что мышцы могут занять лишь часть общей массы животного, поэтому описанный выше выход не панацея.
