Эластические механизмы у животных

Эластические механизмы у животных имеют большое значение в движении позвоночных животных. Мышцы , контролирующие передвижение позвоночных, связаны с упругими тканями, такими как сухожилия , расположенные внутри мышц и соединительной ткани. Пружина . может быть механизмом различных действий, связанных с прыжками, бегом, ходьбой, а также выполнять другие разнообразные функции, такие как сохранение метаболической энергии, ослабление выработки мышечной силы и усиление выработки мышечной силы

Когда тело бежит, ходит или прыгает, оно использует пружины как способ хранения энергии, что указывает на то, что упругие механизмы оказывают большое влияние на его динамику. Когда к пружине прилагается сила, она сгибается и сохраняет энергию в виде энергии упругой деформации , а когда она откатывается после ослабления силы, эта энергия также высвобождается. Эластичные белки обеспечивают свойство эластичности, которое дает пружине возможность обратимо сгибаться без потери энергии, а также способность сгибаться при больших деформациях с небольшой силой. Эластичные белки также обладают высокой эластичностью и низкой жесткостью, что способствует функции энергии упругого напряжения.

Во время бега сухожилия способны снижать скорость метаболизма мышечной активности за счет уменьшения объема мышц, которые активны для создания силы. Время активации мышц очень важно для использования механических и энергетических преимуществ эластичности сухожилий. мощности Ослабление с помощью сухожилий может позволить мышечно-сухожильной системе поглощать энергию со скоростью, превышающей максимальную способность мышц поглощать энергию. Механизмы усиления мощности могут работать, потому что пружина и мышцы имеют разные внутренние пределы мощности. Мышцы скелетной системы могут быть ограничены в максимальной выработке мощности. мощности Усиление за счет использования сухожилий позволяет мышцам производить мощность, превышающую ее возможности. Механические функции сухожилий имеют структурную основу и не подвержены ограничению энергопроизводительности.

Эластичные механизмы сохранения метаболической энергии

Кенгуру сохраняют энергию между прыжками, используя эластичные механизмы.

В предыдущих экспериментальных исследованиях на крупных животных было отмечено, что во время активного передвижения млекопитающие экономят большую часть энергии, которая в противном случае им потребовалась бы для бега, с помощью эластичных структур в ногах. Измерения скорости потребления кислорода различными животными во время ходьбы, бега или прыжков показали, что на высоких скоростях животные, по-видимому, экономят более половины метаболической энергии, которая в противном случае им потребовалась бы для передвижения. Яркий пример — прыжки на кенгуру. При прыжках на малых скоростях расход энергии увеличивается линейно, но на высоких скоростях кенгуру могут двигаться так же дешево (с энергетической точки зрения), как если бы они двигались на более медленных скоростях.

Глубокие исследования анатомии крупных млекопитающих, таких как кенгуру и других крупных копытных, таких как олени и газели, убедительно свидетельствуют о том, что для этой экономии энергии важен какой-то эластичный механизм. Предыдущее сочетание тщательных экспериментов с анатомическими (например, размерами сухожилий), механическими (например, записи силовых пластин) и математическими расчетами показало, что значительная часть работы, выполняемой на каждом этапе, может быть обеспечена пружинным действием сухожилий, а не за счет мышечной работы. Когда ступня животного касается поверхности земли во время движения на высокой скорости, сухожилия или связки плотно прижимаются друг к другу, сохраняя упругую энергию , подобно сжатой пружине. Когда ступня отрывается от земли, давление на сжатые сухожилия и связки ослабевает, а упругая отдача этих пружинящих структур обеспечивает дополнительную силу для движения животного, что приводит к экономии энергии. Простые расчеты, основанные на прыжках кенгуру и силах, задействованных в прыжках, показывают, как накопление энергии упругой деформации может сэкономить от двадцати до тридцати процентов метаболической энергии, необходимой для прыжков. Измерения потребления кислорода при колебаниях кинетической и гравитационной потенциальной энергии показывают упругую экономию не менее пятидесяти четырех процентов на высоких скоростях.

Важно принять во внимание, что метаболические преимущества эластичных структур, вероятно, наиболее очевидны для крупных животных, а не для мелких организмов, таких как насекомые. Это объясняется тем простым фактом, что более крупные животные могут оказывать гораздо большую силу на свои сухожилия и связки во время движения, чем мелкие животные.

Эластичные механизмы ослабления мощности

При эксцентрических сокращениях эластичные сухожилия способны действовать как ослабление силы . В сухожилиях наблюдается ослабление мощности, что позволяет мышечно-сухожильным системам поглощать энергию. Эта скорость превышает максимальную энергетическую способность мышц. Для сравнения, усиление мощности сухожилий позволяет добиться большей выходной мощности, которая может превышать мощность соответствующей мышцы. Этот эластичный механизм может привести к следующим сокращениям за счет удлинения мышц: пиковая потребляемая мощность , скорость удлинения и сила . Повреждение мышц коррелирует с этими факторами. Однако было показано, что перемещение энергии через сухожилия до того, как она будет поглощена мышцами, обеспечивает защитный механизм от этого повреждения. Однако большие накопления упругой энергии с течением времени могут отрицательно повлиять на время отдачи. Это приводит к снижению мощности.

Хотя мышцы производят и поглощают механическую энергию, сухожилия по-прежнему играют важную роль в рассеивании механической энергии . Это действие необходимо для таких действий, как замедление, приземление после прыжка или бег с горы. Р.И. Гриффитс провел перекрестные эксперименты с изолированными препаратами мышечно-сухожилий и исследованиями in vivo в 1991 году, чтобы сохранить мышцы изометрическими во время удлинения мышечно-сухожильных единиц. Это было достигнуто с помощью практики быстрой растяжки мышечно-сухожильных единиц, которые затем поглощались растяжением сухожилий. Экспериментаторы объясняют это явление тем, что мышцы подвержены повреждениям при активном удлинении, и эта практика действует как механический буфер против этого. Кроме того, в экспериментах in vivo было обнаружено, что эластичный механизм обеспечивает защиту скелетно-мышечной структуры, превышающей саркомер . В связи с этим силы, развиваемые в активных мышцах, в конечном итоге определяют силы, действующие на сухожилия, такие как кости, суставы и связки .

Точно так же сухожилия не могут полностью изолировать мышцы от динамического растяжения. Сухожилия воздействуют на мышцы, когда мышцы удлиняются, что влияет на пиковые силы, возникающие из-за действий по поглощению энергии в сухожильно-мышечном блоке. Активное удлинение мышечных волокон приводит как к накоплению, так и к потере энергии. Несмотря на то, что энергия кратковременно сохраняется в растянутых упругих элементах, она также высвобождается, общий чистый выигрыш имеется. Это показывает, что мышечные волокна эффективны как для производства энергии, так и для потребления энергии, используемой телом или отдельными сегментами тела с помощью мышечно-сухожильных единиц.

Упругие механизмы как усилители мощности

Лягушки высвобождают накопленную упругую энергию, чтобы прыгать

Сухожилия, соединительные ткани и молекулярные структуры скелетной системы могут действовать как усилители мощности, постепенно накапливая энергию и быстро ее высвобождая. Этот процесс усиления возможен, потому что пружинистые сухожилия не ограничены теми же ограничениями скорости, налагаемыми на мышцы внутренними ферментативными процессами. Процесс усиления начинается, когда мышца постепенно сокращается, сохраняя энергию упругого напряжения в сухожилии. Как только энергия полностью запасена, сухожилие высвобождает ее за гораздо более короткий промежуток времени, чем потребовалось для ее создания в мышце. Сухожилие на самом деле производит энергию на уровне немного ниже работы, совершаемой сокращающейся мышцей, но поскольку мощность эквивалентна работе с течением времени, значительно более короткое время значительно увеличивает мощность.

Это явление наблюдалось в поведении многих позвоночных , одним из наиболее заметных из которых является прыжки. Прыжки, наблюдаемые у кенгуру, детенышей кустарников, птиц, лягушек и различных видов антилоп, основаны на этой системе, поскольку действие по своей природе ограничено во времени, которое доступно для выработки энергии после того, как тело начало ускоряться. Как только тело теряет контакт с землей, организм не может продолжать производить силу. Существенное улучшение ускорения, возникающее благодаря этим механизмам, наблюдалось у прыгающих блох, ускоряющихся индеек, ударов креветок-богомолов и бега лошадей, мощность двуглавой мышцы плеча которых увеличивается в пятьдесят раз за счет использования сухожилий, подобных катапульте.

Механизмы кормления также выигрывают от пружинных усилителей мощности внутри скелетной системы. Депрессор нижней челюсти жаб использует этот механизм, создавая выступ языка, похожий на катапульту. Еще более впечатляюще то, что баллистическая проекция языка, используемая хамелеонами и некоторыми саламандрами, использует эластичные механизмы для производства удельной мощности, более чем в пять раз превышающей ту, которую сообщают для большинства быстрых мышц. У хамелеонов важно отметить, что втягивающие мышцы, используемые при захвате добычи, снизили выходную мощность на 600% в диапазоне температур 20 °C, в то время как механизм проецирования языка , который использует упругий запас энергии, снизился всего на 50%, демонстрируя что эти упругие механизмы не просто усиливают выходную мощность, но также расширяют температурный диапазон, в котором выходная мощность может быть усилена.