«Это исследование могло бы объяснить, почему у тигров гораздо более плавная походка, чем у крокодилов, которые несутся и тащат живот, и, возможно, это одна из причин, почему современные люди эволюционировали, чтобы ходить с такими единообразными шагами», – говорит ведущий автор Майкл Гранатоски, доктор философии.D., доцент анатомии в Колледже остеопатической медицины Нью-Йоркского технологического института (NYITCOM).
В мышцах четвероногих есть небольшие рецепторы, называемые органами сухожилия Гольджи, которые защищают мышцы от сил во время передвижения (ходьбы) и других физических нагрузок. Когда мышечное напряжение становится опасным, эти рецепторы сигнализируют нервной системе о выработке рефлексов, снимающих напряжение и предотвращающих травмы.
У земноводных и рептилий, которые отделились от ранних четвероногих до млекопитающих и птиц, сухожилия Гольджи свободной формы расположены дальше от соединения мышца-сухожилие, что позволяет предположить, что они обнаруживают стресс во всей мышце. Напротив, птицы и млекопитающие инкапсулировали органы сухожилия Гольджи, расположенные непосредственно в соединении мышца-сухожилие, что означает способность определять напряжение в точных мышечных областях, что позволило бы более контролируемое движение. Теперь исследователи утверждают, что птицы и млекопитающие своим быстрым шагом обязаны этим точно настроенным рецепторам.
«Эти структурные вариации хорошо известны, но никто не задавался вопросом, что они на самом деле значат для животных», – говорит Гранатоски. «Мы изучили самую большую на сегодняшний день коллекцию данных о зоологических локомотивах, охватывающую 30 лет и 55 видов, и обнаружили, что эти вариации напрямую влияют на то, как животные реагируют на силы, действующие на их конечности."
Продолжая работу своего постдокторского наставника Каллума Росс, Ph.D., Профессор биологии и анатомии организмов Чикагского университета Гранатоски проанализировал обширные массивы данных из зоопарков и исследовательских центров США.S., Канада и Германия.
Чтобы оценить распределение массы тела в движении, шаги животных измеряли с помощью трехмерной шкалы, называемой силовой пластиной. Было обнаружено, что шаги рептилий и земноводных сильно различаются с каждым шагом, но млекопитающие и птицы пересекают силовую пластину очень стабильными шагами.
Результаты показывают, что во время движения предсказуемая реакция на силу обеспечивает избирательное преимущество, которое может сохранять энергию и позволяет птицам и млекопитающим быстро восстанавливать равновесие после падения. Гранатоски также считает, что менее чувствительная нервная система рептилий и земноводных могла вызвать потребность в защите, которая заставила животных адаптироваться к более сильным костям.
"Кости рептилий и земноводных могут выдерживать силы, в десять раз превышающие их вес, в то время как кости птиц и млекопитающих могут выдерживать силы, в два с половиной раза превышающие их вес. Возможно, птицы и млекопитающие адаптировали более легкие, более энергоэффективные костные структуры в ответ на то, что они больше не нуждаются в тяжелых защитных каркасах, требующих большого количества энергии », – говорит он.
Чтобы проверить свою теорию, Гранатоски изучит, играли ли органы сухожилия Гольджи эволюционную роль в адаптации плотности костной ткани и расходе энергии. Он также сотрудничает со студентами Нью-Йоркского технологического института, изучающими инженерию, архитектуру и цифровое искусство, над созданием роботов, точно имитирующих передвижение животных.
Первый робот будет имитировать ходьбу синих язычного сцинка, австралийской ящерицы, обычно используемой в качестве модели для передвижения первых четвероногих.