Как сухожилия помогают кенгуру прыгать

При повторных прыжках кенгуру сухожилия задних ног могут запасать часть энергии и возвращать её при отталкивании. Это уменьшает работу, которую приходится заново обеспечивать мышцам. Однако упругая ткань не создаёт энергию из ничего: животное продолжает тратить её на движение, а равномерные прыжки и разгон требуют разного объяснения.

Где находится запас

Сухожилие соединяет мышцу с костью и передаёт её тягу. Оно не обязательно остаётся совершенно неизменным по длине: под нагрузкой ткань немного растягивается. Когда нагрузка меняется, упругий возврат может участвовать в следующем движении. Сравнение с пружиной описывает этот принцип, а не отдельную металлическую деталь внутри ноги.

В классической работе о прыжках кенгуру и валлаби исследователи сопоставили киносъёмку с измерением сил на опоре и анатомическими данными. Валлаби — небольшие родственники кенгуру. Анализ поддержал существенную роль сухожилий мышц задней ноги в сохранении энергии. Особенно важным этот механизм оказался при более быстрых прыжках. Поэтому сильное отталкивание нельзя объяснить только тем, что мышца каждый раз сокращается сильнее: имеет значение и возвращение ранее запасённой энергии.

Что показали измерения у живых животных

Позднее у валлаби таммара, одного из небольших видов, во время равномерных прыжков на беговой дорожке измеряли силы в нескольких сухожилиях. Записывали также электрическую активность мышц и движение ног. При увеличении скорости в изученном диапазоне возрастали и силы, и запас упругой энергии.

При этом разные сухожилия участвовали неодинаково. Самое длинное не обязательно запасало больше всего: важны также нагрузка и размеры его поперечного сечения. Это уточняет привычную картинку «длинная пружина даёт самый мощный прыжок». Сухожилия принадлежат мышцам с разными задачами, и их свойства нельзя оценивать по одному внешнему размеру ноги. Результат такого опыта описывает изученных животных и условия дорожки, а не одинаковую долю экономии у любого кенгуру.

Почему движение ноги не равно укорочению мышцы

В следующем исследовании у этих валлаби одновременно измеряли силу сухожилия и изменение длины мышечных волокон. Волокна — небольшие вытянутые части мышцы, которые развивают усилие. Их движение не следует приравнивать к изменению длины всей цепочки «мышца вместе с сухожилием».

У двух изученных мышц волокна меняли длину сравнительно мало. При большой силе одна из них часто работала почти без изменения длины. С увеличением скорости изменения волокон заметно не возрастали, хотя передаваемая сила увеличивалась. Сухожилия при этом запасали больше энергии.

Такой результат помогает понять, как мышца может удерживать усилие, пока более податливая ткань растягивается и возвращается. «Почти не укорачивается» не означает «выключена»: развитие силы и выраженное укорочение — разные характеристики работы. И вывод о двух мышцах не следует переносить на каждую мышцу тела.

При разгоне работа распределяется иначе

Для изменения скорости недостаточно только повторять прежний цикл. В отдельном опыте валлаби ускорялись и замедлялись, перепрыгивая через площадку, измеряющую силы. По этим данным и скоростной съёмке рассчитывали работу суставов задней ноги.

Наибольшая связь с изменением общей работы ноги обнаружилась у голеностопного сустава — участка соединения голени со стопой. Но это не доказывает, что всю необходимую мощность создавали только расположенные рядом мышцы. Авторы предложили объяснение с передачей мощности от вышележащих суставов через мышцы, пересекающие два сустава.

Следовательно, упругая экономия при ровном движении не заменяет объяснение разгона. Нога работает как связанная система: место выраженного движения и источник переданной мощности могут не совпадать.

Что можно увидеть со стороны

Обычная видеозапись позволяет различить касание земли, отталкивание и полёт между опорами. Она не показывает внутреннюю силу сухожилия или количество возвращённой энергии. Для сравнения записей полезно отмечать, движется ли животное равномерно или меняет скорость: иначе внешне похожие прыжки можно ошибочно принять за одинаковую работу.

Спокойная иллюстрация показывает общий облик животного, но не служит кадром измерительного опыта. Наблюдать за кенгуру лучше с доступного расстояния, не вызывая прыжки преследованием или испугом.