Слоны не только не бегают, но и ходят вприпрыжку

На модерации Отложенный

Слоны, оказывается, не только не бегают, но и ходят вприпрыжку. По крайней мере, когда торопятся. Таковы результаты десятилетнего исследования, которое провели английские биологи.

Биолог Джон Хатчинсон (John R. Hutchinson) давно интересовался биомеханикой – то есть тем, как же перемещаются животные. Так как для автора «размер имел значение», для начала он определил, как двигались давно вымершие виды. С группой коллег он исследовал останки Tyrannosaurus Rex и выяснил, что этот гигант бегал совсем не так стремительно, как в известных кинофильмах. Он просто не мог перемещаться быстро из-за слишком большого веса. Но на «делах давно минувших дней» строились только теоретические модели, поэтому Хатчинсон с коллегами решил изучать ныне здравствующих животных.

Биомеханика движения раньше изучалась в основном на лошадях и животных меньшего размера. А как перемещаются большие и тяжелые братья меньшие, ученые не знали. Для своего нового исследования Хатчинсон выбрал азиатского слона. Отчасти из-за подходящих размеров и массы – более 4 тонн. Отчасти потому, что слоны дрессируются. И теоретически их можно «уговорить» пробежаться в нужном направлении.

До исследования Хатчинсона считалось, что слоны могут перемещаться со скоростью более 40 километров в час, не переходя на бег. Но и эта информация относилась к разряду баек, потому что никто точно не измерял скорость перемещения слона. И, тем более, не изучал фазы его движения.

В 2000 году команда исследователей отправилась в Таиланд, чтобы на исторической родине азиатского слона провести серию экспериментов. Слонов ученым предоставил Тайский центр сохранения слонов (Thai Elephant Conservation Center), совместно с которым и проводилось исследование. Из 300 претендентов исследователи выбрали 42 животных, которые подходили по здоровью, активности и подвижности.

Для экспериментов огородили специальную беговую дорожку, по которой слоны передвигались мимо видеокамеры. Чтобы точно фиксировать движения, Хатчинсон нашел на ощупь слоновьи суставы, на которых краской нарисовал большие белые точки, хорошо выделявшиеся на темной коже. При записи перемещений слона точки составляли схему движения животного. Всего удалось сделать 188 «беговых испытаний», во время которых слоны с разной скоростью проходили 40−метровую дистанцию. Скорость животных точно посчитали по данным видеозаписи и показаний фотодатчиков.

Оказалось, что средняя скорость у слона — 7,2 км/час, а максимальная – 38,4 км/час.

С точки зрения биокинематики, типичные четвероногие животные ходят шагом на медленной скорости, бегут — на средней и переходят в галоп на быстрой.

При шаге и рыси две диагональные конечности одновременно касаются земли. Как говорят ученые, это напоминает перемещение «двух двуногих». В галопе две задние конечности касаются опоры одна за другой, практически одновременно. После небольшой паузы, во время которой животное как бы зависает в воздухе, две передние конечности приземляются порознь.

Но слон, по словам ученых, в общую картину не вписывается. Исследователи обнаружили, что аллюр слона совершенно не изменяется в зависимости от скорости передвижения. Этот гигант использует шаг даже на скорости 24 км/час.

Походка слона выглядит так: сначала передвигается левая задняя нога, потом, после небольшой паузы, – левая передняя. После длинной паузы те же движения повторяет правая сторона слона.

Фаза подвисания, когда ни одна нога не касается опоры, также кинематически отличает бег от ходьбы. Но, как говорят исследователи, слон никогда не отрывает все ноги от земли.

Открытие заставило биомехаников пересмотреть результаты своей работы за прошедшие 30 лет. Ведь теперь они нашли нарушителя правил, который умудряется бегать, не отрывая всех ног от опоры.

Исследователи приводят в пример механизм, свойственный для всех наемных животных, у которых есть ноги. Есть «переключатель» с шага на бег, который находится в некотором относительном пункте, выраженном в числовом значении. Это число Фруда (Froude), которое в данном случае выражено в отношении скорости животного к высоте положения его тазобедренного сустава над опорой.

Значение 0,01 – минимально для любого животного, 20 – максимально. Большинство животных переключаются с шага на бег, когда значение достигает 0,05. По словам ученых, животные переходят на бег потому, что на большой скорости ходьба становится менее эффективной, с точки зрения затрачиваемой на нее энергии. Или более напряженной, с точки зрения механики, чем бег.

Но слоны и тут обскакали других животных. При значении числа Фруда в 3,4 слоны все еще шли шагом. Хотя должны были переключиться на бег при показателе, втрое меньшем. Как говорят исследователи, лошадь при таком значении уже давно бежала бы галопом.

По возвращении из Таиланда у ученых осталась масса вопросов к слонам. Например, можно ли считать быстрое перемещение, с точки зрения кинематики, бегом или все-таки шагом.

«Если говорить о теле, как о палке, которая может перемещаться, качаясь вперед-назад, то центр тяжести у нее будет разным во время ходьбы или бега. Ходьба – жесткий, маятникообразный способ перемещения, при которой конечности остаются достаточно прямыми. Бег же – «живое» перемещение, во время которого конечность сжимается и разжимается, подобно пружине», — рассказывает Хатчинсон.

Кинематические измерения исследователей показывают, что бегущий слон может переключаться от маятникообразного шага на «живую походку». И если они так делают, то, вероятно, все-таки бегут. Но для того, чтобы это подтвердить, слона придется поместить на весовую платформу, чтобы измерить силу, с которой ноги животного давят на опору. Но, к сожалению, до сих пор еще не построили подобного устройства, способного выдержать бегущего слона.

Поэтому группа Хатчинсона продолжила исследования, обойдя проблему платформы при помощи системы специальных датчиков. Правда, исследователи в Таиланд уже не поехали, а взялись за местных животных из Вобурнского сафари-парка в Бэфордшире и сафари-парка в Уэст-Мидлендсе. Пятерых взрослых здоровых животных – трех африканских и двух индийских — измерили и вычислили их центр тяжести. После чего на слонов надели сбрую, которая состояла из GPS-навигатора, двух инерционных датчиков, двух акселерометров, трехмерного гироскопа и трех магнитометров. Весь этот набор измерял положение тела слона в пространстве, движения суставов и ускорение, с которой ноги слона отрывались от опоры. На этот раз слоны проходили дистанцию от 25 до 30 метров с разной скоростью при помощи погонщиков и разных видов подкрепления. Каждое испытание длилось чуть больше часа, и в это время акселерометры, GPS и инерционные датчики работали непрерывно. В общей сложности ученые «гоняли» слонов 153 раза. За это время они зарегистрировали несколько сотен циклов шага, измерили перемещение центра массы движения и оси вращения туловища.

Оказалось, что африканские и индийские слоны двигаются одинаково.

До того момента, когда показатель числа Фруда был равен 0,09, слоны двигались шагом, то есть с использованием схемы маятника. С увеличением скорости двигательная динамика стала похожа на подпрыгивание, но не на прыжки с сжатием и расширением конечностей, как при беге у других животных. Как говорят исследователи, уже на скорости с числом Фруда, равным 0,25, задние ноги слона стали пружинить как «палка пого».

То есть, на достаточно небольшой скорости эти животные включили «поддержку конечностей» для лучшего распределения веса и помощи относительно жестко ступающим передним конечностям. Но, тем не менее, и эту форму движения Хатчинсон не смог назвать бегом.

«Мы действительно нашли свидетельство того, что слоны бегают. В некотором смысле этого слова, — говорит руководитель исследования, — но это промежуточный вид походки, который лишь похож на то, что мы, с точки зрения биомеханики, назвали бы бегом. Не в прямом смысле этого слова, потому что они не отрывают конечности от опоры, а подпрыгивают ими».

Новые данные, которые получили английские ученые, помогут лучше понять биомеханику движений животных и, возможно, пригодятся инженерам для разработки новых роботизированных систем.

Результаты исследования опубликованы в пятом выпуске журнала Journal of Royal Society Interface за 2008 год.