Locomoție bipede cu canguri
New South Wales
Cangur, locomoție
Locomoția bipedei în canguri (Bipedie):
În toate părțile lumii, mamiferele folosesc toate cele 4 picioare pentru locomoție, cu excepția Australiei. Cangurii (grupul Macropodinae) sărit și sar pe cele două picioare din spate. Au devenit cu două picioare. Doar de ce?
Datorită abilităților lor extraordinare de sărituri (până la 3m înălțime și 12m lățime), cangurii pot atinge foarte repede o viteză mare pe fugă și o pot menține într-un teren plin de obstacole.
Înălțimea și lățimea saltului rezultă din forța picioarelor și lungimea forței, așa-numita distanță de arc în raport cu masa corpului. Cu cât greutatea corporală este mai mare, cu atât trebuie să fie mai mare forța. De aceea, masa corporală pentru săriturile animalelor este limitată în sus, astfel încât cangurii mari ating această limită cu aproximativ 90 kg.
Să aruncăm o privire mai atentă asupra relației dintre forța musculară și masa corporală:
Puterea unui mușchi depinde în principal de numărul tuturor fibrelor musculare contractante și deci de secțiunea transversală a mușchiului (dacă ignorăm câteva trucuri pe care natura le „are în rezervă”). Când raza secțiunii transversale a mușchilor este dublată, forța sa crește în pătrat.
Deoarece mușchiul are și un volum, masa sa se schimbă sub formă cubică.
Acest lucru are în mod inevitabil consecințe suplimentare în fiziologie: dacă masa unui mușchi și, astfel, performanța acestuia este crescută, toate organele care furnizează mușchii trebuie, de asemenea, să-și crească performanța, adică toate organele interne de la plămâni la sistemul digestiv necesită o creștere a performanței, care este posibilă numai prin creșterea masei lor. În plus, sistemul osos ar trebui să fie adaptat la forța mai mare, ceea ce la rândul său ar duce la o creștere a greutății scheletului.
Datorită acestor relații, masa corporală a animalelor săritoare este limitată în sus, animalele mici și ușoare sar relativ mai sus și mai departe decât cele mari (se cunoaște exemplul puricilor).
Pentru a crește lungimea arcului, piciorul este devin mai lungi și atunci când se mișcă mai repede, doar vârfurile degetelor ating ating pământul (similar - analogic, convergent - dezvoltare în ungulate).
Numărul degetelor de la picioare este redus - degetul 4 de la picior este foarte mărit și este utilizat pentru imprimare la sărituri, degetul 5 de la picior asigură echilibrul, degetul 2 și 3 se îmbină într-un mod ciudat și sunt utilizate pentru îngrijire, degetul 1. Degetul de la picior lipsește complet.
Motive pentru evoluția locomoției săriturilor cu două picioare?
Pentru a sari, toate picioarele trebuie împinse de la sol în același timp. Centrul de greutate al corpului trebuie să ajungă rapid sub forța principală de alimentare. Acest lucru funcționează de la sine cu bipede.O coadă lungă este utilizată pentru echilibrare. (Acesta din urmă aparent nu este neapărat din clase, fapt dovedit de oameni și broaște.)
Masa musculară uriașă a picioarelor din spate oferă forța necesară. Energia necesară contracției musculare este asigurată de arderea glucozei cu ajutorul oxigenului (respirație celulară sau disimilare). Acum se consumă atât de mult oxigen cu salturi repetate, încât rezervele nu pot ține pasul. Mușchiul trece la producerea de energie fără oxigen, la gătit, prin care acidul lactic este produs și acumulat. Acesta din urmă duce la oboseală musculară (oamenii la sfârșitul unei curse de 100 m). În plus, numai cantități mici de energie sunt obținute în timpul gătitului, comparativ cu generarea de energie oxidativă (descompunerea glucozei cu oxigen = disimilare).
Cangurii au stăpânit această problemă antrenându-și picioarele din spate în colaci. Ca rezultat, o mare parte din energia de impact este stocată la sărituri (la câinii cu patru picioare „normali” se pierde ca căldură) și este utilizată pentru următorul salt.
Să vizualizăm acest lucru. Când sare, un cangur sare de pe sol cu ambele picioare din spate în același timp (vezi fotografiile), le leagănă mult înainte și le pune din nou la loc. Energia de impact este atât de mare încât picioarele construite în mod normal s-ar rupe. În cazul cangurilor, picioarele din spate sunt închise în articulații la impact și forțele care apar sunt absorbite de organele cu proprietăți elastice. În esență, acestea sunt tendoanele - în special tendonul lui Ahile - care pot fi întinse ca o bandă de bungee. Tendoanele se contractă din nou, eliberează energia stocată și se asigură că picioarele se întind din nou, determinând corpul animalului să se ridice de la sol pentru următorul salt.
Performanța săriturilor este cauzată în principal de acțiunea de primăvară a tendoanelor, care, desigur, nu costă nicio energie. Dar, ca și în cazul oricărei conversii de energie, apar pierderi de energie care trebuie compensate de forța musculară. (Dimensiunea pierderilor este exprimată foarte diferit în funcție de autor.)
În experimentele cu mamifere „normale” pe banda de alergat, consumul de oxigen (o măsură a consumului de energie) crește de mai multe ori odată cu creșterea vitezei (peste 30 km/h), în timp ce consumul de energie la canguri rămâne practic același.
Picioarele din față, sarcini
Specializarea picioarelor din spate în locomoția rapidă a însemnat că picioarele din față ar putea îndeplini alte sarcini: apucarea, ajutarea la aportul de alimente, îngrijirea (vezi imaginile din partea de jos) și doar o sarcină secundară este tunderea atunci când se mișcă lent. În evoluție, a existat o reducere a dimensiunii, deoarece efortul de construcție ar putea fi menținut mai mic. În același timp, toate cele cinci degete cu ghearele lor au rămas în evoluție.
Avantajele bipedia în canguri:
Nevoia de a fugi rapid nu poate fi motivul dezvoltării cangurilor cu două picioare. Gazelele cu patru picioare sunt de ex. la fel de repede. De cine ar trebui să fugă marile canguri? Fiind cel mai mare carnivor terestru din Australia, lupul tilacin nu era potrivit pentru crearea unei presiuni de selecție suficiente și nici dingo-ul importat târziu.
Ceva complet diferit a fost probabil decisiv. Datorită construcției de primăvară a picioarelor din spate, mușchii nu trebuie să facă treaba principală, cu greu se încălzesc și nu trebuie răcite. Acest lucru economisește cantități mari de apă, deoarece altfel apa trebuie evaporată atunci când respirați pentru a obține evaporarea rece.
Acum, Australia a fost cel mai uscat continent de multe milioane de ani, cu stepe și savane pronunțate. Animalele au trebuit să parcurgă distanțe mari până la următoarea gaură de apă și la următoarea zonă de pășune (iarbă proaspătă care a crescut după o furtună locală). Datorită capacității de sărituri a cangurilor, ei pot face acest lucru fără a pierde prea multă apă.
Seceta acestui continent a făcut necesară dezvoltarea săriturilor cu două picioare.
Apariția săriturilor cu două picioare la alte fraieri arată că acest tip de locomoție este o adaptare la viața în zonele aride: jerboa apare în Sahara și șobolanii cangur în regiunile aride asemănătoare cu deșertul.
Dezavantaje ale bipedia:
Cu această specializare se acceptă faptul că mișcarea lentă (cu canguri chiar și „cu cinci picioare”, deoarece coada * acționează ca un fel de al cincilea picior) costă mai multă energie decât cu prietenii cu patru picioare - la 5 km/h de aproximativ patru ori mai mult decât cu o altă tetină mărimea.
Picioarele din spate și articulațiile lor au trebuit să fie rigidizate din cauza stresului ridicat la sărituri, astfel încât schimbările extreme de direcție în timpul mișcării rapide nu sunt posibile sau chiar o mișcare înapoi nu este posibilă, ceea ce poate fi văzut pe marginea drumului din Australia. În același timp, extremitățile posterioare nu pot fi deplasate independent una de cealaltă, cel puțin pe uscat, dar uimitor acest lucru este posibil în apă în timp ce înotați.
În plus, limitarea dimensiunii acestui grup de animale este semnificativă, cu animale mai mari relația dintre „sarcina utilă” și masa mușchilor locomotori necesari ar fi neeconomică. Un elefant pur și simplu nu poate sări.
* Când se mișcă încet, coada servește ca un fel de al cincilea picior. Se folosește pentru a ridica picioarele din spate în același timp și pentru a le putea așeza înainte (vezi poza din mijloc).