Я познаю мир. Биология

Подвижность присуща многим живым организмам, причем не только животным, но и растениям, а также некоторым грибам. Высшие животные приобрели «моторы» — гладкие и поперечнополосатые мышцы, позволяющие им приводить в движение части своего тела и перемещаться в пространстве: бегать, прыгать, плавать, летать. Давайте познакомимся с некоторыми проблемами и ограничениями в работе двигательных органов.

Подкожные резинки

Резина — довольно обыденный материал. Чего только из нее не делают! Главная ценность резины в том, что она способна сильно растягиваться и при этом не портиться, а когда мы прекращаем ее растягивать, восстанавливает свою прежнюю длину.

Свойства резины общеизвестны, но нас интересуют биологические объекты. Давайте познакомимся с работой скелетных мышц. Они тоже способны растягиваться и сокращаться, правда, в отличие от резины, растягиваются они под действием собственной тяжести, а сокращаясь, способны производить значительную работу.

Скелетные мышцы состоят из многоядерных клеток, имеющих вид волокон. Волокна длинные, до 40 мм длиной. Каждое волокно состоит из чередующихся светлых и темных дисков, как ручки ножей, набранные из пластинок разноцветной пластмассы. Темный диск и две половинки светлых дисков, прилегающих к нему слева и справа, образуют саркомер — рабочий элемент мышечных волокон.

Мышечные волокна собраны в пучки таким образом, что все темные диски каждого волокна располагаются точно под темными дисками других волокон, образуя темную полосу, а светлые диски таким же образом формируют светлые полосы. Это придает мышце сходство с зеброй и послужило причиной того, что скелетные мышцы называют поперечнополосатыми.

В каждой мышечной клетке находятся многочисленные тяжи — миофибриллы, производящие сокращение мышц. Они бывают двух типов. Толстые нити диаметром 15 нанометров (нм) состоят в основном из белка миозина, а тонкие имеют в диаметре всего 7 нм и в состав вещества, из которого они состоят, входит белок актин. Тонкие нити проходят только по светлым участкам саркомера, а в средней части темной полосы проходят только толстые нити. Лишь в самых темных боковых участках темных полос находятся и толстые, и тонкие нити. Причем каждую толстую нить окружают 6 тонких.

Молекулы миозина, как мы уже сказали, составляют основу вещества толстых нитей. Каждая молекула этого белка имеет массивную головку, торчащую наружу, и длинный хвост, вплетенный в нить. В спокойном состоянии, когда мышца не занята работой, головки миозина никакой активности не проявляют. Когда же нерв приносит распоряжение мозга сократиться, они прикрепляются к соседним тонким актиновым нитям и наклоняются. При этом головки поворачиваются примерно на 45° и тянут за собой тонкую нить, которая скользит вдоль толстой нити по направлению к центру саркомера. Здесь тонкие нити встречаются и могут даже заходить друг за друга. Это приводит к сокращению саркомера до 28 %, но сами нити при этом не укорачиваются.

Чем длиннее мышца, тем больше в ней саркомеров, тем значительнее она способна сократиться и тем короче она при этом станет. Когда работа мышцы окажется выполненной и мозг отменит приказ о сокращении, головки миозина отсоединяются от тонких нитей и мышечное волокно переходит в нерабочее состояние, а мышца удлиняется до прежнего нерабочего состояния. Таким образом, мышцы сокращаются и растягиваются не потому, что молекулы белков, из которых они состоят, способны растягиваться и уменьшаться, а потому, что белковые нити способны перемещаться.

Попрыгунчики

Высоко ли может прыгнуть человек? К сожалению, не очень. Олимпийский рекорд по прыжкам в высоту без шеста ненамного превышает 2 метра — чуть выше человеческого роста. Если учесть, что непосредственно перед прыжком центр тяжести у человека находится на высоте 90 сантиметров, то рекорд кажется совсем мизерным. Перемахивая через планку, спортсмен на 2 метра поднимает свои ноги, а его центр тяжести «подпрыгивает» от силы метра на полтора!

Крупным наземным животным тоже нечем особенно хвастаться. Трехметровый гигантский кенгуру, тело которого специально приспособлено для прыжков, прыгает не выше 3,3 метра. Чем больше весит животное, тем тяжелее ему прыгать, тем больше мышц должно участвовать в осуществлении прыжка. Но мощные мышцы становятся дополнительным грузом. Возникает заколдованный круг.

Математический расчет позволяет предполагать, что животные, у которых отношение веса тела к весу ножных мышц одинаково, должны прыгать на одинаковую высоту независимо от их размера. Наблюдения за животными показывают, что это предположение правильно. Самый маленький кенгуру — сумчатая кенгуровая крыса ростом 40–45 см — прыгает на высоту 2,5 м, а миниатюрная полуобезьянка галаго способна лишь слегка перекрыть олимпийский рекорд человека.

Интересно, что водные животные прыгают лучше сухопутных. Неуклюжие на суше пингвины пулей вылетают из воды и, взмыв над ее поверхностью на 1,4–1,6 м, ловко приземляются на кромку льда. Дельфины совершают прыжки на высоту 4–5 м. Даже кальмады, используя свои плавники как несущую плоскость и планируя с их помощью, поднимаются до 7 м над поверхностью воды. Умеют прыгать даже глубоководные рыбы. В 1959 году с борта советского исследовательского судна «Витязь» ученые наблюдали вертикальные прыжки тирзитопса на высоту 2–3 м. Видимо, редкая глубоководная рыба решила дать возможность ученым познакомиться с ней накоротке.

Прыгать в длину значительно легче. Лошадь во время галопа совершает прыжки до 7,5 м. Это 4 длины туловища самого прыгуна. Гиббоны, перепрыгивая с ветки на ветку, покрывают расстояние до 6 м, а крупные кенгуру способны совершать прыжки длиной 9–12 м. Американские полутушканчики прыгают на 3,7 м, а гребнепалый тушканчик из среднеазиатских пустынь — на 3 м. Длина прыжка у них в 20 раз больше длины тела.

Катапульта обыкновенной блохи

Даже первобытный человек не был особенно сильным. Когда он научился использовать на охоте первые примитивные орудия — палки, камни, дубины, он всё равно ощущал, что ему часто не хватает силы, чтобы одним ударом убить оленя или докинуть камень, а позже и копье до пасущейся вдалеке антилопы. Серьезно усовершенствовать орудия охоты первобытные люди смогли только благодаря тому, что научились запасать энергию.

Первым охотничьим орудием, которое использовало запасенную энергию, был охотничий лук. Охотник, натягивая тетиву, сгибал гибкий лук и при этом запасал в нем энергию, когда же он отпускал тетиву, вся энергия, запасенная в согнутом луке, высвобождалась в одно мгновение, посылая стрелу вперед с такой силой, что она могла улететь на значительное расстояние и пронзить дичь. Просто бросить стрелу рукой с такой же силой человек не мог.

До изобретения огнестрельного оружия на войне использовались катапульты и баллисты — метательные машины, способные бросать тяжелые камни, заостренные бревна или бочки с горящей смолой на несколько сот метров. Принцип действия этих машин тот же, что у охотничьего лука. Даже один человек способен был привести в боевую готовность метательную машину. В нужный момент вся накопленная энергия высвобождалась, и огромный камень летел на врага.

Прыгающим животным приходится метать в воздух собственное тело. Среди них самые способные прыгуны — насекомые. Они могут совершать прыжки в высоту на расстояние в 100 и более раз превосходящее длину их тела. Секрет этих рекордов заключается в том, что они используют принцип катапульты. Поэтому мощность, развиваемая мышцами насекомых, в 10 и более раз выше мощности, на которую способны мышцы позвоночных животных.

В теле насекомых и других членистоногих встречается белок резилин. Подобно резине, он обладает очень высокой упругостью. В честь нее вновь открытый белок и получил свое название. Его резильянс, то есть коффициент полезного действия, — 97 %. Это очень много. Только 3 % его энергии теряется в виде тепла. Резильянс самых лучших сортов резины не превышает 91 %. Если резилин на несколько недель оставить в растянутом состоянии, он не потеряет способности мгновенно восстанавливать свою первоначальную величину!

Резилином пользуются хорошо прыгающие блохи. Эластичная подушечка, состоящая из резилина, лежит у основания их задних конечностей. Приготавливаясь к прыжку, зловредное насекомое поднимает задние ноги и сжимает резилин. Когда специальный механизм, удерживающий ноги блохи в таком положении, освобождает их, они за счет упругих сил резилина отталкивают блоху от земли, и насекомое стремительно взлетает вверх. Резилин, мгновенно распрямляясь, способен развить гораздо большую мощность, чем мышцы, вызвавшие его сжатие.

Покорители неба

Из обитателей Земли первыми научились летать насекомые. Среди них есть настоящие рекордсмены, способные самостоятельно, не прибегая к услугам ветра, подниматься на несколько сот метров над поверхностью Земли и совершать тысячекилометровые путешествия. Некоторые из них прилетают к нам на север весной из Южной и Западной Европы и даже из Африки. При этом насекомые способны развивать значительную скорость. Комар кулекс (обычный кровососущий комар) летает со средней скоростью 1,5 км/ч, комнатная муха — 8, саранча — 16, щмель — 18, а пчелы и стрекозы — 30 км/ч. При этом им приходится интенсивно работать крыльями. Бабочка белянка делает при этом 10–12 взмахов крыльев в секунду, саранча — 20, майский жук — 45, божья коровка — 75–90, пчела — 250, комар кулекс — 300, комар — звонец — больше 1000!

Крылья насекомых как «подъемный» механизм менее совершенны, чем винт самолета. Работа пропеллера целиком используется для полета, тогда как крыло саранчи использует на это лишь 65 % затраченной энергии. Неиспользованные 35 % были бы для саранчи слишком большой потерей. Насекомые, конечно, не смогли с ней смириться. Для компенсации этих потерь у них используется резилин. Его крохотные комочки находятся у основания крыльев саранчи, мух и многих других летающих насекомых. Они используются как амортизаторы и для сбережения затрачиваемой энергии.

Когда крыло насекомого доходит до крайнего положения, его движение тормозится за счет сжатия резилина. Затем резилин расправляется и сообщает крылу ускорение, возвращая при этом 97 % энергии, затраченной на его сжатие. В результате на одно сокращение мышцы крыло отвечает не одним, а несколькими взмахами. Это и позволяет многим насекомым быть весьма неплохими летунами.

Хорошо, что у жирафов маленькая голова

Рост взрослого жирафа более пяти метров. Длинная изящная шея поддерживает небольшую голову. Если вам посчастливилось видеть этих животных, вы, безусловно, обратили внимание на грациозность их движений. Совершенно ясно, что жираф не чувствует тяжести своей головы, хотя ее вес вместе с шеей немал. Еще больше усилий должно требоваться, чтобы удержать на горизонтально вытянутой шее тяжелую голову быка или оленя, нередко украшенною огромными рогами. В действительности животные на это не затрачивают почти никаких усилий. От этой необходимости их избавляет другой белок — эластин. Он действует на манер дверных пружин. Подобные пружины, удерживающие части тела в заданном положении, имеются у многих животных.

У копытных голову удерживает выйная связка, которая одним концом прикреплена к черепу и ближайшим шейным позвонкам, а другим — к грудному отделу позвоночника. Как это ни странно, лошадь затрачивает больше энергии на то, чтобы нагнуть голову, чем на то, чтобы поднять и удержать ее в обычном положении. Это объясняется тем, что, нагибая голову, животному приходится производить работу — растягивать выйную связку. Поднимается же голова лошади за счет потенциальной энергии, запасенной при растяжении эластина выйной связки.

Еще более важную роль выполняет эластин, входящий в состав сосудов позвоночных животных и человека. Человеческое сердце сокращается около 70 раз в минуту и толчками гонит кровь в сосуды. Однако, если изучить движение крови в более отдаленных районах кровеносной системы, станет ясно, что по артериолам и капиллярам она течет не толчками, а с почти постоянной скоростью. Благодаря этому ткани тела снабжаются кислородом равномерно и оберегаются от беспрерывных толчков, особенно опасных для нежных клеток мозга.

70 толчков в минуту, 4 тысячи в час, почти 100 тысяч в сутки, 37 миллионов толчков в год определенно расшатали бы нервную систему. Кроме того, если жидкость течет равномерно, организм сберегает массу энергии на проталкивание ее по узким сосудам.

Равномерное движение крови по сосудам обеспечивает всё тот же эластин. Когда сердце сокращается, кровь растягивает стенки крупных сосудов, в первую очередь стенки грудной аорты, и в эластине накапливается значительное количество потенциальной энергии. В интервалах между сердечными сокращениями эластин, сжимаясь, гонит кровь из крупных сосудов в капилляры.

Держим двери открытыми

В отличие от людей моллюски используют «дверные пружины» не для того, чтобы двери автоматически захлопывались, а наоборот, чтобы они всегда были распахнуты.

Кому приходилось летом бывать на берегах наших северных мелководных озер с мягким илистым дном, тот, вероятно, обращал внимание на длинные извилистые следы, возникающие на дне во время безветренной погоды. Это ползали по илу довольно крупные двустворчатые моллюски — беззубки.

С беззубкой может познакомиться каждый. Все остальные двустворчатые моллюски по устройству своих раковин полностью на нее похожи: у всех она состоит из двух половинок. Правда, размер раковин у разных видов варьирует от 2–3 мм до огромных полутораметровых створок гиганта тропических морей — тридакны.

Обычно раковина двустворчатых моллюсков всегда приоткрыта ровно настолько, чтобы вода, несущая кислород и пищу, свободно проникала в раковину или сам моллюск мог слегка выглянуть в образовавшуюся щель. Если надо, створки закрываются с помощью расположенного внутри мощного мускула. Он такой сильный, что раковину беззубки легче сломать, чем открыть, не перерезая запирающего мускула. Для открывания же створок специальных мышц нет — оно осуществляется пассивно за счет эластичных связок. Так что силу моллюску приходится применять, только чтобы закрыть створки.

Главный открыватель раковины — внутренняя связка. Когда створки закрываются, она сжимается, а как только замыкательный мускул ослабляет свои усилия, раковина приоткрывается. Процесс этот медленный, он занимает несколько минут. Дело в том, что материал, из которого «сделана» связка, далеко не первосортный. Правда, и функция ее не сложна. Только у гребешков пружина более совершенна, так как состоит из сократимого белка абдукцина, что в переводе с латыни означает «отводящий». Его упругие свойства близки к таковым резины. Отличная внутренняя связка позволяет этим моллюскам передвигаться удивительным образом, никем из его собратьев не освоенным.

Почти все виды гребешков умеют плавать или, вернее, прыгать, используя реактивную силу воды, выталкиваемой из мантийной полости двумя мощными струями. Чтобы создать в мантийной полости достаточно высокое давление воды, моллюск быстро, до трех раз в секунду, открывает и захлопывает раковину, каждый раз делая полуметровый прыжок. При этом, как и у других двустворчатых моллюсков, захлопывает раковину мышца, а открывается она автоматически, за счет упругих свойств абдукцина.

Способность быстро передвигаться — немаловажное приобретение для гребешков. Оно не только спасает их от медлительных морских звезд, но даже от таких опасных хищников, как осьминоги. Кроме того, используя реактивную «тягу», гребешки могут совершать дальние путешествия — летом откочевывать с мелководий в более прохладные районы океана.

Капля как мячик

Животные широко используют вязко — упругие жидкости. В том числе актинии, относящиеся к числу наиболее примитивных животных. По сути, актиния — это мешочек, наполненный водой. Стенки актиний состоят из двух слоев клеток и студенистого вещества — мезоглеи, находящейся между ними. Мешок имеет лишь одно отверстие — рот — узкую щель, снабженную особым реснитчатым аппаратом. Реснички гонят воду внутрь актинии и, создавая в ее полости небольшое (в 0,1–0,6 см водного столба) превышение давления над давлением окружающей воды, медленно растягивают вязкое тело. Быстро надуться актиния не может. Чтобы за короткий срок растянуть мезоглею, потребовалось бы создать давление во много раз большее, а это с помощью ресничек сделать невозможно. Когда реснички прекращают свое движение, актиния так же медленно приобретает свой обычный вид. Это вступают в действие упругие свойства мезоглеи, способной растягиваться и сокращаться.

Упругими жидкостями широко пользуются позвоночные животные и человек. Все суставные сумки заполнены у них синовиальной жидкостью. Она находится там для смазки. Не будь ее, суставы очень быстро бы изнашивались. Для осуществления движений в таких суставах, для преодоления возникающего в них трения потребовались бы слишком большие усилия, а сами суставы при этом быстро бы нагревались. От всех этих неприятностей и спасает нас синовиальная жидкость.

По своему составу и вязкости она сходна с плазмой крови. Кроме того, в ней находится полисахарид — вещество, имеющее очень длинные молекулы. Благодаря им синовиальная жидкость и обладает упругими свойствами. Убедиться в этом нетрудно, произведя несложный опыт.

Если на стекло капнуть водопроводную воду, а сверху поместить выпуклую линзу, придавив ее небольшим грузом, то линза окажется прижата к стеклу. Прижать линзу к стеклу в капле глицерина тоже можно, но на это придется затратить некоторое время. И все равно синовиальная жидкость не позволит прижать линзу вплотную к стеклу. Между ней и стеклом всегда будет оставаться тонюсенький слой жидкости.

Если еще помнить об особом устройстве суставов, то станет понятно, почему мы не ощущаем й них трения. Дело в том, что суставные хрящи имеют пористое строение и пропитаны синовиальной жидкостью, которая при давлении на суставы выжимается в межсуставные щели, увеличивая толщину слоя смазывающего вещества.

Эластичные вещества — живая резина — играют огромное значение в жизни животных и человека. Они совершенно необходимы для работы двигательных органов. Без них невозможно было бы ни быстро бегать, ни высоко прыгать, а кое — кому — и летать.

Снайперы

Еще древние охотники знали, что к дичи трудно подойти вплотную, и на охоте широко использовали различные метательные «снаряды»: копья, дротики, стрелы. С подобной проблемой столкнулись и животные. Им тоже понадобились метательные снаряды.

Самым известным метательным снарядом владеют бесхвостые амфибии. Это их язык. Для них это основное охотничье оружие. Без него они добывать пищу не могут. Язык прикреплен во рту не задним концом, как у всех остальных животных, а передним. Работает он безотказно: лягушка, завидев ползущую муху, «стреляет» языком в ее сторону. Язык мгновенно пришлепывает, оглушает добычу, приклеивается к ней и почти так же быстро втягивается обратно в рот. Миг — и мухи нет. Весь процесс совершается за 6–7 сотых долей секунды. Увидеть это невозможно, слишком быстро всё происходит.

Лягушачий язык поражает дичь лишь на короткой дистанции, на расстоянии 5–10 сантиметров. Значительно дальнобойнее язык хамелеонов. Он может быть длиннее самого животного и помогает добывать дичь, находящуюся на расстоянии 30 сантиметров!

В обычном состоянии язык нанизан на специальный заостренный хрящ и больше всего похож на детскую игрушку — пирамидку из уменьшающихся к вершине дисков, нанизанных на общий стержень. Когда животное видит жука, оно направляет на него оба глаза, прицеливается и «выстреливает» языком. Он соскальзывает с хряща и, растягиваясь, с огромной скоростью летит в сторону объекта охоты. На кончике языка находится утолщение со слегка приплюснутым кончиком. Оно действует как вакуумная присоска, с помощью которой к стеклянным и кафельным поверхностям стен прикрепляют мыльницы и'другие легкие предметы. Кроме того, на кончике языка, когда он прилип к жертве, могут вытягиваться пальцеобразные выросты, пытающиеся обхватить добычу.

И у лягушек, и у хамелеонов на конце языка не острый кончик, а ударный снаряд. Удивительная тропическая рыбка брызгун умеет создавать ударный снаряд из воды. Однажды одна такая рыбка чуть не сделала меня заядлым курильщиком. Ее привезли из тропиков моряки тунцеловного судна, пришедшего в Ленинград на ремонт.

Матрос, знакомящий меня с интересной рыбиной, снял с аквариума закрывающее его стекло, закурил сигарету и вновь подошел к аквариуму. Не прошло и 3 секунд, как сигарета потухла. Матрос раскурил вторую сигарету — эффект был тот же. Только после четвертой сигареты я заметил, что она мокрая. Оказывается, рыба гасила ее струйкой воды.

Самострел брызгуна устроен незамысловато. На нёбе у него находится неглубокая ложбинка. Когда рыба прижимает к нёбу язык, ложбинка превращается в ствол снайперской винтовки. Теперь рыбе достаточно с силой сжать жаберные крышки, как давление в ротовой полости повышается, преодолевает сопротивление кончика языка, который перекрывает канал, и струйка воды вырывается из маленького круглого отверстия в центре рта. Впереди — ударная капля. Дальность полета струи удивительная — 4–5 метров, правда, прицельная дистанция всего 1–2 метра, но дичи достаточно и на этом расстоянии. Ударная капля сбивает насекомое, мочит его крылышки, и оно падает в воду, где брызгун его подбирает. Брызгун может производить и одиночные выстрелы, и целые серии. Если крупному сбитому водой насекомому удается расправить крылья и оно пытается удержаться в воздухе, рыба продолжает обстрел и в итоге все — таки сбивает добычу.

Там, где обитают брызгуны, много светящихся жуков. Вот почему рыбка охотно стреляет в горящие сигареты. У команды судна в пути кормление брызгуна было главным развлечением. Рыбка гасила сигареты и за каждый удачный выстрел получала таракана.

Умеют «стрелять» жидким снарядом и змеи. Только плюются они не водой, а ядом. Их оружие может быть дальнобойным, но не создает ударной капли. У некоторых видов «плюющихся» змей яд разбрызгивается мелкими капельками. Змея не пытается точно попасть противнику в глав, а поражает сразу большую площадь: и, конечно, глазам тоже достается. Попав на слизистые оболочки, яд вызывает сильную боль и быстро всасывается в кровь, убивая мелкую дичь. От врага такой способ тоже прекрасно защищает — плевок ядом в глаз способен остановить любого хищника.

Удивительным стрелком является жук — бомбардир. Он стреляет едкой жидкостью. Выстрел мини — пушки по силе звука почти достигает эффекта откупориваемой бутылки шампанского. Струйка жидкости, вылетающая из пушечного ствола, мгновенно превращается в клубочки дыма. Так же выглядели пушки на Бородинском поле и на других полях сражений в эпоху использования дымного пороха. Курьезно выглядит бомбардир, удирающий от какого — либо хищника и на ходу отстреливающийся от неприятеля.

И всё же самым надежным метательным снарядом является собственное тело стрелка. Увидев быстро передвигающееся насекомое, лягушка совершает молниеносный прыжок, но целится не туда, где в данный момент находится дичь, а прогнозирует место, где она должна оказаться в момент завершения прыжка. Пиренейские рыси часто охотятся на крупных птиц, но поймать шныряющую в траве дичь не пытаются. Они стараются заставить птицу взлететь и хватают ее в воздухе в высоком прыжке.

По стопам апостола петра

В 14 главе Евангелия от Матфея рассказано, как Иисус Христос шел к ученикам по воде. Апостол Петр тоже пошел по воде, но, утратив веру в то, что это возможно, испугался и стал тонуть.

Среди обитателей пресных (и даже морских!) водоемов есть существа, которые являются настоящими умельцами хождения по воде. Неудивительно, что на их родине в Центральной и Южной Америке несколько видов игуан, представителей рода василисков, называют «иисусами».

Шлемоносный и американский василиски — крупные существа до 80 см длиной. Живут эти древесные ящерицы по берегам мелководных рек и стариц. Устроившись где — нибудь на ветке дерева, нависающей над водоемом, и сохраняя полную неподвижность, игуана весь день подкарауливает добычу, а в случае опасности плюхается в воду.

Попав воду, василиск мгновенно выныривает и, бешено молотя по воде задними лапами, пальцы которых имеют чешуйчатую оторочку, серьезно увеличивающую площадь опоры, бежит по поверхности воды, приподняв кверху хвост и прижав к груди передние лапки.

Чтобы не тонуть, василиску приходится прилагать огромные усилия. У ящерицы хватает сил разве что перебежать неширокую протоку. Однако бег по поверхности водоемов, особенно там, где они сильно заросли или замусорены, позволяет развивать более значительную скорость, чем удалось бы достичь в воде. Впрочем, если василиск и погрузится в воду, он может благополучно добраться до берега вплавь.

В отличие от игуан, для которых хождение по воде явно находится на пределе возможного, небольшие птицы яканы, относящиеся к отряду куликов, делают это совершенно непринужденно. Правда, не совсем «честно» — они ходят не по чистой воде, а по листьям водных растений. Птица прогуливается довольно быстрым шагом, не останавливаясь ни на миг и прямо на ходу склевывая что — то с листьев и с воды.

У якан длинные ноги с длиннющими пальцами, вооруженными еще более длинными когтями. Это и позволяет им гулять по плавающим листьям водных растений. Именно длинные прямые когти — главные помощники «водоходцев». Они сильно увеличивают общую площадь опоры. Поэтому птица всегда может рассчитывать на то, что опущенная на поверхность воды лапа с широко растопыренными пальцами обязательно обопрется о что — нибудь более плотное, чем вода.

Кажется, что тонкие, прогибающиеся листья не могут создать опору для относительно тяжелых птиц. Однако вода как бы прилипает к поверхности любых предметов, погруженных в нее, и перемещается вмести с ними. Поэтому в любое движение вовлекаются значительные массы воды и оказывают ему существенное сопротивление. Эту вовлекаемую в движение воду называют «присоединенной массой».

На преодоление инерции «присоединенной массы» растений приходится затрачивать значительные усилия. Бегущая по поверхности птица толкает попадающиеся ей под ноги растения с силой, в несколько раз превосходящей ее собственный вес, но все — таки значительно меньшей, чем необходимо для мгновенного преодоления инерции «присоединенной массы».

Передвижению по поверхности воды можно научиться. Ствол свежесрубленного дерева, сплавляемого по таежной реке, не выдержит тяжести взрослого человека, но «присоединенная масса» бревна такова, что позволяет человеку перейти, вернее перебежать, не задерживаясь ни на секунду, по плывущим бревнам на противоположный берег реки. Некоторые профессиональные сплавщики леса владеют этим искусством в совершенстве.

По наплавным мостам из досок или бревен во время войны переплавлялись через реки грузовые машины. Порожний грузовик по наплавному мосту из связанных толстых досок способен пересечь любую реку при условии, что будет двигаться со скоростью не менее 40 км/ч.

Загадки меч — рыбы

Меч — рыба — родственница скумбриевых рыб. У нее беззубый рот, зато она вооружена острым костяным мечом — уплощенным продолжением верхней челюсти. Меч имеет внушите льные размеры, составляя до трети длины всей рыбы. Учитывая, что эта крупная рыба беззуба, зоологи считают, что меч предназначен для обороны и используется во время охоты. Рыбина — заядлая хищница, истребляющая не только мелких и средних по величине рыб, но и крупных тунцов, а иногда нападающая даже на акул.

Нужен ли меч для охоты? Большинство зоологов считает, что нужен. Действительно, врываясь в стаю рыб, морской охотник нередко пронзает своим мечом тело одной из них. Правда, еще не известно, делает ли охотница это специально или натыкается на добычу случайно. Не будем гадать, как это происходит на самом деле. Лучше попробуем представить себе, как потом добыча, наколотая копьем меч — рыбы, попадает в рот рыболову. Признаться, я нигде не встречал толкового описания этого процесса. Зато сообщения о встречах меч — рыбы с нанизанной на ее копье и прочно закрепившейся там добычей, мне попадались. Я ничуть не сомневаюсь в том, что удивительная рыба активно пользуется во время охоты своим мечом. Раз есть меч, странно было бы о нем забывать. Однако я не думаю, что природа создала его лишь затем, чтобы обеспечить рыбине сытую жизнь.

Давайте подумаем вместе, для чего еще могло бы пригодиться это «украшение» ее хозяйке. Или подойдем к решению этого вопроса с другой стороны: чем, кроме меча, отличается меч — рыба от других крупных рыб океана? Если у нашего объекта исследования есть какая — то другая особенность, то, может быть, она как — то связана с мечом?

Меч — рыба относится к самым быстроходным существам Земли. Она развивает скорость до 130 км/ч, то есть плывет быстрее, чем летают птицы и бегают четвероногие звери. Как это ей удается? Ведь вода достаточно плотное вещество. Чтобы быстро плыть, воду приходится расталкивать, а это труд не из легких, подводные лодки такую скорость не развивают.

Наверное, каждому из читателей приходилось бегать по мелководью. Если вода доходит до щиколотки, бежать становится трудновато. Если до середины голени — трудно, а если до колена и выше, тут уж, пожалуй, не побежишь. А случалось ли вам видеть, как ходят по мелководью длинноногие птицы, такие как цапли или фламинго? Когда птицы бродят в пруду—, они не тянут по воде свои ноги. Делая каждый очередной шаг, цапли каждый раз полностью вытаскивают свою ногу из воды и даже пальцы при этом складывают, чтобы они меньше мешали ее вытаскивать, и сделав над водой шаг, снова опускают ногу в воду. Вот каково сопротивление воды — оно делает трудной даже ходьбу, а меч — рыба обгоняет наземных животных, которые передвигаются в воздушной среде, не оказывающей такого сильного сопротивления их движению. Может быть, именно меч помогает рыбе так быстро передвигаться?

При движении & воде любого объекта, в том числе рыбы, вода как бы прилипает к ее телу и тянется за ним. Процесс движения слоев воды очень напоминает то, как стягивается, выворачиваясь наизнанку, чулок с ноги. При этом пограничный слой, непосредственно соприкасающийся с рыбой, движется вместе с ней. Второй слой понемножку отстает от рыбы, следующий — отстает сильнее и так далее. За пределами этих слоев вода уже не вовлекается в движение рыбы. Представляете, какую тяжесть тянет за собой плывущее существо и как это снижает его скорость!

Когда двигающиеся слои воды достигают рыбьего хвоста и стягиваются с тела рыбы, они продолжают еще некоторое время тянуться за ней, вызывая мощные завихрения воды. Давление в них цадает, и это тоже тянет рыбу назад, еще сильнее уменьшая ее скорость.

Ученые предполагают, что рыбий меч, как и трехметровый бивень нарвала, торчащий из головы этого небольшого северного кита, служит им генераторами вихрей, разрушающих пограничный слой. По мере движения животного вихри переходят с меча или бивня на тело самого животного и там тоже разрушают пограничные слои воды. Теперь они не сдерживают пловца. Сопротивление воды резко сокращается, что позволяет животным развивать, казалось бы, немыслимую в воде скорость.

Кто изобрел колесо?

Величайшим изобретением человечества, обеспечившим его развитие на протяжении последних десяти тысячелетий, было создание колеса. Эта деталь нам кажется сегодня простой. Она встречается у большинства транспортных средств, в станках и других механизмах. Однако додуматься до использования колеса было не просто. Например, весьма технологически развитые цивилизации доколумбовой Америки изобрести колесо так и не смогли (или не успели, в данном случае это неважно).

Двадцатый век был для человечества эпохой бурного развития науки и техники. Создавая новые приборы и механизмы, ученые частенько с величайшим изумлением обнаруживали, что заложенные в них принципы давным — давно используются живыми организмами. Создавалось впечатление, что во всём, буквально во всём природа опередила людей. Только с изобретением колеса ей не повезло. Но, как мы теперь знаем, дело вовсе не в недогадливости природы. Просто вращающийся орган невозможно снабжать кровью. Кроме того, нужно признать, что ученые всё же ошиблись. Природа изобрела и колесо. Точнее, вращающуюся ось — самую главную деталь колеса.

Многие микроорганизмы способны передвигаться. Одни из них ползают, другие плавают с помощью длинных жгутиков или коротеньких ресничек. При изучении микроорганизмов ученые заметили, что движения жгутиков напоминают движения рыбьего хвоста. Позже оказалось, что у некоторых микроорганизмов жгутики совершают вращательные движения, напоминающие работу корабельного винта. В этом вначале не увидели ничего удивительного. Взяв в руку веревку, можно заставить ее кончик совершать круговое движение, но при этом ни конец веревки, зажатый в руке, ни тем более сама рука вращаться вокруг своей оси не будут. Так ученые и объяснили увиденное, но действительность оказалась сложнее и удивительнее.

Лучше всего работа жгутиков изучена у сальмонелл — болезнетворных микроорганизмов, вызывающих у человека и животных брюшной тиф и другие желудочно — кишечные заболевания. Сальмонеллы — небольшие палочкообразные бактерии. На их теле может находиться до 20 жгутиков, из которых активно работают обычно 6–7.

Несмотря на свои микроскопические размеры, жгутики имеют достаточно сложное строение. Характерной особенностью их внешнего вида является «крючок», изгиб жгутика недалеко от места его прикрепления.

Самая важная часть жгутика — его основание. Оно находится в толще клеточной мембраны сальмонеллы, которая, как и все мембраны, состоит из наружного и внутреннего слоев.

У основания жгутика, извлеченного из мембраны, удается рассмотреть два надетых на него кольца. Когда жгутик находится на своем законном месте, одно из колец погружено в толщу внутреннего слоя мембраны, второе располагается снаружи от него. Чуть дальше на жгутик надета втулка. Ей полагается быть вмонтированной в наружный слой мембраны.

Мотор, приводящий жгутик в движение, находится во внутреннем слое. Два кольца, находящиеся у основания жгутика, — это ротор, то есть вращающаяся деталь двигателя. Что заставляет ротор вращаться, выяснить пока не удалось.

Благодаря изгибу жгутика, его кончик совершает широкое вращательное движение. Он может двигаться по часовой стрелке или в обратном направлении, приостанавливать вращение и вновь возобновлять работу. Скорость его вращения не велика — 15 оборотов в минуту, но вполне достаточная, чтобы вызвать поступательное движение бактерии.

Выходит, колесо изобрела природа, опередив человечество не меньше чем на миллиард лет!