Но обладание одной ступнёй, похожей на слизняка, ходьбой не считается, так что я думаю, это можно не принимать в расчёт. Несколько лет спустя попытку сделал Дугал Диксон: «кокосовый вор» (обнаружен в книге «Новые динозавры» 1988 года издания). Вот он (нажмите на картинку, чтобы увидеть полноразмерное изображение: оно довольно большое). Думаю, что книга стоит того, чтобы её приобрести, и я определённо рекомендую её.
Это гораздо ближе к «ходьбе на щупальцах», однако недостаточно
близко: как говорится в описании, кокосовый вор волочит тело по земле при
помощи четырёх лап из многих имеющихся, а ползание ходьбой не считается.
Так что единственные из того, что я знаю, кто действительно идёт в счёт –
это эволюционировавшие головоногие моллюски из «Дикого
мира будущего», в частности, мегакальмар. Это был телесериал, главной
темой которого была спекулятивная эволюция. Мегакальмар – это гигантский потомок
кальмара (а возможно, что и осьминогов, если подумать), и он ходит, держа
тело в выпрямленном положении, на своих восьми колонновидных щупальцах. В
фильме есть несколько комментариев относительно того, как на самом деле работают
ноги, и из них можно понять, что щупальца исправно лишены костей – как и должно
быть. Вот кадр, взятый из фильма.
Однако меня терзают сомнения; достаточно ли предлагаемого
биомеханического объяснения, или, если точнее, смогла бы эволюция оставить
всё как есть?
Но сначала нужно сделать несколько объяснений относительно того, что делает
щупальце щупальцем; об этом мы поговорим уже в другой части.
Оригинал статьи находится здесь.
Почему «Прогулок со щупальцами» не будет... (2)
Четверг, 27 ноября 2008 года
Что ж, для того, чтобы написать новую главу, потребовалось
некоторое время. Причина задержки называется «работа».
В любом случае, чтобы продолжить тему «щупальцев не для ходьбы», я сделал
с помощью программы Vue Infinite несколько иллюстраций, показанных далее.
Давайте взглянем на типичное щупальце.
Данный образец почти полностью состоит из мышечных клеток
(также называемых мышечными волокнами). Волокна представляют собой красные
удлинённые структуры. Для создания достаточно реалистичной текстуры я поупражнялся
с изображениями клеток поперечно-полосатой мускулатуры млекопитающих. Первое,
что нужно помнить – то, что мышечные волокна могут только тянуть; толкать
они не могут! Итак, если мы хотим использовать щупальце в качестве ноги, отталкивающейся
от земли, нам придётся придумать способ отталкиваться при помощи элементов,
которые могут только тянуть. Нормальные ноги, снабжённые скелетами, работают,
потому что два действия разделены: мускулы тянут кости, а кости осуществляют
толчок.
Вернёмся к щупальцу: оно почти полностью состоит из мышечных клеток, за исключением
самого центра, куда я вставил артерию, вену и нерв (они имеют обычные цвета,
встречающиеся в медицинских учебниках: артерия круглая в сечении и красная,
вена довольно мягкая и синяя, а нерв сплошной и жёлтый). И конечно, никаких
костей; если бы они были, это было бы уже не щупальце!
Мышечные клетки расположены концентрическими слоями, а мышечные волокна из
разных слоёв протягиваются в различных направлениях. Волокна из самого внутреннего
слоя тянутся в продольном направлении. При их сокращении щупальце укоротится.
Оно также станет толще, поскольку общий объём щупальца не изменится; в конце
концов, оно в целом состоит большей частью из воды, а вода несжимаема. Вы
также можете заставить волокна этого слоя сокращаться только с одной стороны;
если это произойдёт, щупальце изогнётся. Вам не нужно, чтобы это происходило
по всей длине, так что изгиб может возникнуть где угодно. Наше щупальце уже
может двигаться в разных направлениях.
Самый внешний слой обладает поперечными волокнами. Если они сократятся, то
сожмут всё внутри. Поскольку больше идти некуда, щупальце станет тоньше, а
значит, и длиннее. Чтобы добавить ещё чуть-чуть сложности и ловкости, были
добавлены ещё два слоя: их волокна тянутся по диагонали, поэтому они будут
скорее скручивать волокно. Вдобавок они оказывают как сжимающее, так и укорачивающее
воздействие. Управление этими слоями и волокнами должно дать щупальцу возможность
двигаться практически любым образом, который вы только сможете придумать.
В том, чтобы слои были расположены именно таким образом, особой необходимости
нет. Вообще, снаружи может находиться ещё один продольный слой, и найдётся
ещё немало других вещей, о которых вы могли бы подумать. В своём нынешнем
виде щупальце может тянуть достаточно хорошо. Если задействуются кольцевые
волокна, щупальце удлинится; разве это не то же самое, что толкать? Ну да,
но значительного усилия здесь не будет. То, что у нас есть на настоящий момент
– это нечто вроде человеческого языка; вы можете высунуть его изо рта или
прижать к зубам. Но отжиматься на нём не получится.
Чтобы понять, почему это так, взгляните на показанное здесь
надувное животное. Его «ноги» наполнены воздухом, и единственная причина,
по которой они сохраняют свою форму, заключается в том, что мешок находится
под давлением. Если мы сделаем это же самое со щупальцем и напряжём самые
внешние слои щупальца по всей его длине, внутренние части щупальца окажутся
под давлением с тем же результатом: получается структура с достаточным напряжением
для сохранения собственной формы. Но вам не удастся навьючить на надувное
животное хоть какой-то груз: ноги подгибаются.
Если принять это как данность, самым простым решением будет значительно увеличить
давление, чтобы ноги/щупальца не подгибались так легко. Похоже, что именно
это решение и было выбрано для «мегакальмара» из «Дикого мира будущего».
Но это же так расточительно! Напряжение должно создаваться при помощи постоянных
мышечных усилий, а это съедает энергию. В противоположность этому, чтобы стоять
на костях, энергия нужна лишь для того, чтобы они не сгибались в суставах,
и если вы правильно их сбалансируете, то всё, что нужно сделать – это небольшая
хитрость, направленная на поддержание равновесия, вместо подхода с применением
грубой силы. Вторая проблема заключается в том, что давление внутри щупальца
будет очень высоким, и это создаёт большие проблемы для поступления хотя бы
какого-то количества крови к мышечным клеткам. Кровяное давление в щупальцах
должно быть даже ещё выше, чем давление тканей, чтобы кровь протекала через
них, а это, в свою очередь, создаёт большую нагрузку на сердце (или несколько
сердец), к слову сказать. А чем больше энергии, тем больше технических проблем.
Обладатель костей даст сто очков вперёд таким глупым кальмарам.
Я думаю, что для ходьбы на щупальцах требуется нечто большее, чем просто очень
толстое щупальце; для снижения затрат ему не обойтись без эволюции. Подробнее
о возможном решении – в следующий раз...
Оригинал статьи находится здесь.
Почему «Прогулок со щупальцами» не будет... (3)
Воскресенье, 30 ноября 2008 года
В прошлый раз я приводил доводы в пользу того, что для использования
щупалец для ходьбы потребуется расточительно большое количество энергии. Чтобы
противостоять изгибающим усилиям, вам будет необходимо очень высокое давление
внутри щупальца, чтобы оно оставалось достаточно жёстким (кстати, этот принцип
называется «мышечный гидростат»). Первый большой недостаток, который этим
создаётся, заключается в том, что вам потребуется много энергии, а второй
– то, что высокое давление создает большую нагрузку на циркуляцию крови.
Так что давайте займёмся своего рода творческой эволюцией и попробуем обойти
эти проблемы. Щупальце отличается от надувного животного из прошлого поста
тем, что внутренняя часть воздушного шара заполнена воздухом, тогда как щупальце
заполнено мышечными клетками, т. е. главным образом водой. Для ходьбы нам
нужно нечто, хорошо выдерживающее силу сжатия. Первое, что должно произойти,
на мой взгляд – это разделение на ячейки. Если внутри щупальца будут обособленные
ячейки, то в одной ячейке вы можете создавать более высокое давление, а в
другой – более низкое. Следующий шаг состоит в том, чтобы иметь внутри каждой
ячейки какой-нибудь орган, который противостоит нагрузке сжатия. Эволюция
может начаться со специализированных мышечных клеток, которые больше не сокращаются
активно, а просто образуют эластичный сгусток, который достаточно плотный
и деформируется не так легко, как клетки.
Они могли бы иметь такую форму, что изображена выше: более или менее цилиндрический мешок, заполненный желеобразным веществом. Возможно, его стенка неэластична, или, может быть, внутри имеются прочные волокна, тянущиеся с одной стороны на другую. Давайте назовем это образование «corpus gelatinosus centralis» (CGC), или, в дни, когда латынь не в почёте, сгустком сжатия. Вне зависимости от состава сгусток сохраняет свою форму, и если сложить некоторое их количество друг на друга, они смогут выдерживать нагрузку. Для поддержания их пачки в равновесии всё равно потребуется много мышц, находящихся снаружи. Показано три слоя, но это всего лишь общее представление. Такое устройство затрачивает меньше энергии для поддержания вертикального положения, но управление им всё равно требует много энергии. Оно может просто позволить животному бродить по берегу, так что, возможно, это вполне реалистичное «Ходильное щупальце Марк I».
------------------------------------------
Однако эволюция на этом не остановится. Выше показан следующий
шаг. CGC эволюционировали и теперь достаточно хорошо пригнаны друг к другу.
Верхняя половина каждого из них сферическая и входит в углубление в нижней
части следующего за ним. Такое расположение гарантирует, что давление можно
безопасно передать вниз по стопке CGC, получившей название «columna corporum
gelatinosorum» (CCG). Здесь будьте осторожны, потому что вы легко можете увязнуть
в анатомическом жаргоне. Сферические сочленения между сгустками делают возможным
движение во всех направлениях, поэтому при взгляде снаружи конечность всё
ещё обладает многими характеристиками щупалец. Материал сгустков также эволюционировал:
они уже не просто сохраняют свою форму благодаря натянутым волокнам внутри
сгустков, но теперь ещё и студенистая масса пронизана крест-накрест известковыми
спикулами, которые непосредственно противостоят нагрузке при сжатии.
Различные слои тканей, окружающие сгустки, по-прежнему присутствуют, но есть
и два нововведения. Первое из них – то, что теперь имеются связки, да ещё
и мышцы, которые прикрепляются к сгустку и соединяют его со следующим в ряду.
Они имеют исключительно важное значение для корректировки взаиморасположения
каждой пары сгустков, тогда как наружные слои мышц выполняют основную часть
работы по движению щупальца. Второе новшество заключается в том, что слой
кольцевых волокон атрофировался, поскольку в нём больше нет необходимости:
его работа заключалась главным образом в создании сильного напряжения, но
теперь этот вопрос в значительной степени решён благодаря передаче нагрузок
через материалы, которые способны их выдерживать.
Думаю, мне следовало бы внести эти усовершенствования в рисунки; возможно,
я сделаю это попозже. Но на этом вопрос с «Ходильным щупальцем Марк II» исчерпан.
------------------------------------------
Если говорить о конструкции «Марк III», то мне интересно, видит ли кто-нибудь, какова будет конечная цель; мы движемся по пути, ведущему к появлению ходильного щупальца путём эволюции, однако тема всё равно озаглавлена «Почему «Прогулок со щупальцами» не будет»...
Оригинал статьи находится здесь.
Почему «Прогулок со щупальцами» не будет... (4)
Понедельник, 8 декабря 2008 года
Итак, «Ходильное щупальце Марк II», разработанное в прошлый
раз, несёт серию элементов, способных противостоять сжатию, и по-прежнему
обладает значительной свободой движения благодаря множеству шаровых суставов.
Вообще, у меня возникло искушение усовершенствовать его до уровня «рабочего
решения» и сохранить во вселенной планеты Фураха. Есть несколько вещей, которые
может сделать щупальце, полностью состоящее из мускулов, но которые эта конструкция
не может сделать, а именно, произвольно удлиняться или укорачиваться. Кроме
того, по-прежнему требуется прикладывать много усилий мышц, чтобы просто удерживать
его на месте.
Существует несколько интересных усовершенствований, которые необходимо рассмотреть.
Одна тонкость, до которой я додумался, заключается в том, что поверхность
суставов теперь совершенно гладкая и никоим образом не препятствует движению.
Но предположим, что поверхность можно каким-то образом сделать менее гладкой,
если это необходимо. Возможно, с небольшими элементами под поверхностью, которые
можно приподнять, чтобы сделать поверхность крупнозернистой. Если вы сделаете
это на обеих сторонах поверхности сустава, трение станет значительно сильнее,
поэтому суставу потребуется меньше мышечной силы, чтобы оставаться на месте.
Это был бы «Марк IIb»...
Но гораздо более вероятным развитием событий было бы сокращение количества
подвижных элементов. Простое удлинение работающих на сжатие элементов внутри
щупальца решило бы многие проблемы: здесь меньше подвижных областей, следовательно,
меньше мест, где требуется сила мышц. Концентрические мускульные цилиндры
могут исчезнуть, поскольку их заменяют мышцы, охватывающие один или два сустава.
Но подумайте о том, как выглядит это «Ходильное щупальце Марк III»: это серия
элементов, состоящих из прочного материала, способного выдерживать сжимающие
нагрузки, а движение осуществляется при помощи мышц, которые тянут эти элементы,
заставляя их вращаться лишь в немногих местах: да, «Ходильное щупальце Марк
III» – это нога; вот, почему «Прогулок со щупальцами» не будет: они превратились
в ноги...
Вот оно, всего с двумя мышцами.
Оригинал статьи находится здесь.