Язык с ускорением в сотни G: биомеханика охоты хамелеонов и саламандр

Способность хамелеонов «выстреливать» языком — довольно уникальный для позвоночных животных механизм. Похожей особенностью обладают и некоторые безлегочные саламандры (семейство Plethodontidae). Во время охоты они способны выбрасывать язык на большой — 2–6 м/с — скорости, что создает ускорение около 2 600 м/с² у хамелеонов и 5 740 м/с² у саламандр (что равносильно перегрузкам 270–590 G). Это одни из самых высоких ускорений, которые встречаются у позвоночных, хотя языки хамелеонов и саламандр состоят только из мягких тканей и тонких элементов скелета. Считается, что плотные и не особенно эластичные ткани позвоночных накладывает серьезные ограничения на мощность, что особенно привлекает внимание к таким экстремальным характеристикам. Трое биологов из США проанализировали биомеханику «баллистических языков» хамелеона и саламандры. Они пришли к выводу, что эти группы животных независимо пришли к общему биомеханическому решению, которое обеспечивает одну из самых эффективных форм передачи механической энергии у позвоночных.

Авторы проанализировали морфологические и биомеханические особенности более 20 видов саламандр и более 20 видов хамелеонов разных размеров — длина тела от кончика носа до клоаки составляла от 1 см (у молодых особей) до 12 и более см у взрослых саламандр или 20 и более см у хамелеонов.

Как у хамелеонов, так и у саламандр язык запускается по баллистической траектории и остается связан с животным только специальными мышцами-ретракторами. Такая система «закрепленного снаряда» отличается от языков лягушек и жаб, у которых язык остается прикреплен к нижней челюсти. Система запуска состоит из трубчатой мышцы, которая окружает вытянутый стержень, — при сжатии мышцы вокруг этого стержня и происходит «выстреливание» языком. Этот аппарат имеет гиобранхиальное происхождение, хотя у хамелеонов и саламандр отдельные его части происходят из разных элементов и немного отличаются строением.

Язык хамелеона состоит из одного окостенелого скелетного стержня (энтоглоссальный отросток подъязычной кости) и мышцы-ускорителя в форме полого цилиндра, к которой крепится язык. Ускорительная мышца сжимается и скользит по скелетному стержню. У саламандр аналогичную систему формируют пара прямых поддуговых мышц (subarcualis rectus muscles, SAR) и наджаберные хрящи (epibranchial cartilages, EB), заключенные в каждую мышцу, а остальная часть скелета языка с прикрепленной к нему ловчей частью образуют «снаряд». В обоих случаях запуск происходит после фазы предварительной загрузки, во время которой компрессорная мышца сокращается и накапливает энергию в коллагеновой эластичной ткани.

Запуск представляет собой быстрое скользящее движение, силу тяги для которого создает сжатие кольцевой мышцы вокруг стержня. Профиль ускорения в обоих случаях баллистического старта характеризуется начальной фазой нарастания (с увеличением силы тяги) и последующей фазой спада. Время разгона составляло 1–30 мс, а профиль ускорения, как выяснили исследователи, схож у разных видов и разных размеров тела: пик приходится на 26% длины стержня у хамелеонов и 41% у саламандр.

Интересно, что ткани языка и системы его запуска ничем не примечательны с точки зрения прочности или эластичности — их ограничения для «выстрела» преодолевает именно механическая конфигурация. Исследователи приводят наглядную аналогию: если сжать семечко дыни между двумя пальцами, это создаст давление на поверхность около 1,25 × 10³ кПа (предполагается, что сила сжатия — 100 Н, а площадь поверхности одной стороны семечка — около 80 мм²). При выстреле за счет сжатия такой «снаряд» приобретет ускорение на первом сантиметре траектории движения, а скорость составит 2,5–8 м/с — то есть будет сопоставима со скоростью языка хамелеона или саламандры.

Однако хамелеоны и безлегочные саламандры живут в сильно отличающихся средах. «В природе их представители никогда не встречались друг с другом», — говорит Ю Цзен, первый автор исследования. Хамелеоны обитают в теплых лесах и ведут древесный образ жизни, а саламандры предпочитают влажные места обитания, такие как реки, пруды, листовой опад и пещеры. И авторы задались вопросом, как они приобрели столь схожие механизмы в ходе эволюции. Проанализировав механику языка у агамовых — родственников хамелеонов, — они показали, что эти рептилии способны выдвигать язык только на передний край челюсти (не более 5% длины тела от носа до клоаки), однако у них уже есть примитивный линейный механизм запуска.

У саламандр эволюционные события имели иной порядок: выдвигающиеся языки имеются у большинства их наземных клад. Выпячивание языка достигается за счет поддуговых мышц, которые позже стали частью баллистического аппарата у Plethodontidae. Они крепятся к паре наджаберных хрящей и вытягивают их вперед; каждый хрящ служит здесь подпоркой.

Авторы работы крайне вдохновлены такой уникальной баллистикой языка — они говорят о его потенциале за пределами дикой природы. «Этот механизм можно масштабировать, используя мягкие и гибкие материалы», — рассуждает доктор Цзен. — «Мы уже обсуждаем с инженерами его возможные применения в биомедицине, например, конструирование аппарата для удаления тромбов. В более широком масштабе им можно вдохновляться для создания инструмента, который позволит извлекать предметы из труднодоступных мест, например, из-под обломков рухнувшего здания или даже в космосе».

Жабы-альбиносы хуже охотятся

Развитие жабр у рыб и наружных ушей у млекопитающих регулируется общими механизмами