Как устроен прыжок саранчи

Саранча прыгает благодаря задним ногам, в которых мышечная работа заранее запасается как упругая энергия. Затем этот запас быстро высвобождается, голени распрямляются и отталкивают тело от опоры. Такой способ похож на катапульту: подготовка занимает больше времени, чем само резкое движение. Крупные задние бёдра содержат важные для этого мышцы, но одним размером ноги весь механизм не объясняется.

Где накапливается энергия

Задняя нога состоит из нескольких отделов. Особенно заметны толстое бедро и более тонкая длинная голень, которая в покое может быть подогнута вдоль него. В бедре находится мышца, разгибающая голень; её усилие передаётся через внутренние структуры ноги.

Исследование пустынной саранчи показало, что до отталкивания энергия запасается в упругих элементах наружного скелета и структуре, передающей тягу мышцы. Среди этих элементов — парные полулунные отростки у конца бедра. Их название описывает форму. Они деформируются под нагрузкой, а затем возвращаются к исходному положению, помогая быстро разогнуть сустав.

Подобный запас не создаёт энергию из ничего. Её сначала обеспечивает работа мышцы. Упругая система позволяет собрать эту работу за некоторое время и отдать значительно быстрее, когда начинается движение. Поэтому скорость разгибания нельзя объяснить только скоростью сокращения самой мышцы.

Почему нога не распрямляется сразу

Для подготовки голень сначала сгибается. Далее могут одновременно работать мышцы, которые сгибают и разгибают её. Сгибатель удерживает положение, пока разгибатель развивает усилие и нагружает упругую систему. Это не бессмысленная борьба двух мышц: временное удержание позволяет накопить запас для резкого движения.

Когда удерживающее действие прекращается, голень получает возможность быстро распрямиться. Нервное управление обеспечивает нужную последовательность. Исследования защитных ударов ногой выявили стадии сгибания, совместной работы мышц и освобождения удержания; эта последовательность помогает понять общий принцип катапультного движения саранчи. Удар ногой и прыжок при этом остаются разными действиями: при прыжке нужно поднять всё тело над опорой.

Что делает упругий белок

В полулунных отростках нашли сочетание твёрдого наружного покрова и резилина — белка с выраженными упругими свойствами. Эти материалы работают вместе. Жёсткость одной части и податливость другой позволяют конструкции деформироваться при нагрузке и возвращаться к исходной форме. Поэтому название «пружина» относится к целой биологической детали, а не обязательно к одному веществу.

Более поздний эксперимент у пустынной саранчи уточнил роль резилина. Исследователи уменьшали его образование и затем проверяли движение. Скорость отрыва снижалась, при специальной нагрузочной проверке чаще повреждались ноги, а повторные прыжки сильнее теряли дальность. Авторы связали основной запас энергии с жёстким покровом, а резилин — с защитой конструкции при повторном использовании. Это не делает белок ненужным: сохранность работающей пружины тоже определяет результат.

От чего зависит направление

Для прыжка важно не только количество запасённой энергии. Скоростная съёмка и механический анализ показали, что исходное положение задних ног влияет на угол отталкивания. При этом запас энергии связан со скоростью движения. Управление углом и скоростью можно рассматривать отдельно, хотя оба параметра участвуют в итоговой траектории.

Если два насекомых прыгают неодинаково, по одному снимку нельзя заключить, что у одного «слабее пружина». Нужны положение перед отрывом, условия опоры и последовательность движения. Длина тела сама по себе тоже не даёт точной дальности: исследовательский результат для определённого вида и условий не является обещанием одинакового прыжка каждой особи.

Что видно при спокойном наблюдении

На видеозаписи можно заметить подогнутые голени, подготовку и быстрое отталкивание. Обычный кадр спокойно сидящей саранчи показывает форму ноги, но не величину внутренней нагрузки или содержание резилина. Для наблюдения не нужно удерживать насекомое за ногу, давить на сустав или многократно пугать его ради дальнего прыжка. Устройство движения изучают по естественному поведению, сохраняя целыми и само животное, и его опору.