Dvojposchodová lokomócia s klokanmi
Nový Južný Wales
Klokan, pohyb
Lokalita dvojnožca v kengurách (Bipedie):
Vo všetkých častiach sveta používajú cicavce na pohyb všetky 4 nohy, s výnimkou Austrálie. Klokani (skupina Macropodinae) poskakujú a skáču na svojich dvoch zadných nohách. Stali sa dvojnohými. Len prečo?
Vďaka svojim mimoriadnym skokovým schopnostiam (až 3 m vysoké a 12 m široké) môžu klokani veľmi rýchlo dosiahnuť vysokú rýchlosť počas behu a udržať ho v teréne plnom prekážok.
Výška a šírka skoku sú výsledkom sily nôh a dĺžky sily, takzvanej vzdialenosti pružín vo vzťahu k hmotnosti tela. Čím väčšia je telesná hmotnosť, tým väčšia musí byť sila. Preto je telesná hmotnosť pri skákaní zvierat obmedzená smerom nahor, čím veľké kengury túto hranicu dosahujú s približne 90 kg.
Pozrime sa podrobnejšie na vzťah medzi svalovou silou a telesnou hmotou:
Sila svalu závisí hlavne od počtu všetkých sťahujúcich sa svalových vlákien, a teda aj od prierezu svalu (ak ignorujeme niektoré triky, ktoré si príroda „pripraví“). Keď sa polomer prierezu svalu zdvojnásobí, jeho sila sa vo štvorci zvýši.
Keďže sval má tiež objem, jeho hmotnosť sa mení v kubickej podobe.
Vo fyziológii to nevyhnutne má ďalšie dôsledky: Ak sa zvýši hmotnosť svalu a tým aj jeho výkon, musia zvýšiť výkon aj všetky orgány, ktoré svaly dodávajú, t. J. Všetky vnútorné orgány od pľúc po tráviaci systém vyžadujú zvýšenie výkonu, čo je možné iba zväčšením jeho hmotnosti. Okrem toho by sa kostrový systém musel prispôsobiť väčšej sile, čo by zase viedlo k zvýšeniu hmotnosti kostry.
Kvôli týmto vzťahom je telesná hmotnosť skákajúcich zvierat obmedzená smerom nahor, malé a ľahké zvieratá skáču relatívne vyššie a ďalej ako veľké (známy je príklad blchy).
Na zväčšenie dĺžky pružiny je chodidlo predlžujú sa a pri rýchlejšom pohybe sa iba špičky prstov dotýkajú zeme (podobné - analógové, konvergentné - vývoj kopytníkov).
Počet prstov na nohách je znížený - 4. prst na nohe je značne zväčšený a používa sa na potlač pri skákaní, 5. prst na nohe zaisťuje rovnováhu, druhý a tretí prst sa zvláštnym spôsobom zlúčia a používajú sa na úpravu, prvý prst. Prst úplne chýba.
Dôvody vývoja dvojnohej skákacej lokomócie?
Ak chcete skočiť, musia byť všetky nohy súčasne odtlačené od zeme. Ťažisko tela sa musí rýchlo dostať pod hlavnú silu posuvu. S dvojnožcami to funguje samo. Na vyváženie sa používa dlhý chvost. (To zjavne nemusí nevyhnutne znamenať známky, ktoré dokazujú ľudia a žaby.)
Obrovská svalová hmota zadných končatín poskytuje potrebnú silu. Energia potrebná na kontrakciu svalov sa dodáva spaľovaním glukózy pomocou kyslíka (bunkové dýchanie alebo disimilácia). Teraz sa pri opakovaných skokoch spotrebuje toľko kyslíka, že zásoby nestíhajú. Sval prepne na výrobu energie bez kyslíka, na ďalšie varenie, pri ktorom sa produkuje a akumuluje kyselina mliečna. Posledné menované vedie k svalovej únave (ľudia na konci behu na 100 m). Ďalej sa pri varení získava iba malé množstvo energie v porovnaní s generáciou oxidačnej energie (rozklad glukózy kyslíkom = disimilácia).
Kengury tento problém zvládli trénovaním zadných nôh do cievok. Vďaka tomu sa veľká časť nárazovej energie ukladá pri skákaní (u „bežných“ štvornohých psov sa stráca ako teplo) a používa sa na ďalší skok.
Ukážme si to: Pri skákaní klokan vyskočí zo zeme oboma zadnými nohami súčasne (viď fotografie), vykývne ich ďaleko dopredu a znova ich nasadí späť. Energia nárazu je taká vysoká, že by sa normálne postavené nohy zlomili. V prípade klokanov sú zadné nohy pri náraze vybočené v kĺboch a sily, ktoré vzniknú, absorbujú orgány s elastickými vlastnosťami. V zásade ide o šľachy - najmä achilovku -, ktoré sa dajú roztiahnuť ako pásmo bungee. Šľachy sa potom opäť stiahnu, uvoľnia nahromadenú energiu a zabezpečia, aby sa nohy opäť natiahli, čo spôsobí, že sa telo zvieraťa zdvihne zo zeme pre ďalší skok.
Skákací výkon je spôsobený hlavne pružinovým pôsobením šliach, ktoré samozrejme nestojí žiadnu energiu. Ale ako pri každej premene energie, aj tu dochádza k energetickým stratám, ktoré je potrebné vyrovnať svalovou silou. (Veľkosť strát je uvedená veľmi odlišne v závislosti od autora.)
Pri experimentoch s „normálnymi“ cicavcami na bežiacom páse sa spotreba kyslíka (miera spotreby energie) niekoľkonásobne zvyšuje so zvyšujúcou sa rýchlosťou (nad 30 km/h), zatiaľ čo spotreba energie klokanov zostáva prakticky rovnaká.
Predné nohy, úlohy
Špecializácia zadných nôh na rýchly pohyb znamenala, že predné nohy mohli vykonávať ďalšie úlohy: uchopenie, pomoc s príjmom potravy, starostlivosť (pozri obrázky dole) a pri pomalom pohybe je potrebné upravovať iba sekundárnu úlohu. V priebehu evolúcie došlo k zmenšeniu veľkosti, pretože sa dalo udržať menšie stavebné úsilie. Zároveň všetkých päť prstov s pazúrmi zostalo v evolúcii.
Výhody bipédie v kengurách:
Potreba rýchleho úteku nemôže byť príčinou vývoja dvojnohých kengúr. Rovnako rýchle sú napríklad aj štvornohé gazely. Od koho by mali veľké kengury utiecť? Ako najväčší suchozemský mäsožravec v Austrálii nebol tylacín schopný vytvoriť dostatočný selekčný tlak a nebol ním ani neskoro dovezený dingo.
Pravdepodobne bolo rozhodujúce niečo úplne iné. Vďaka pružinovej konštrukcii zadných nôh nemusia svaly vykonávať hlavnú prácu, takmer sa nezahrejú a nemusia byť ochladené. Ušetrí sa tým veľké množstvo vody, pretože inak sa musí pri dýchaní odparovať, aby sa odparenie dosiahlo studené.
Austrália je už milióny rokov najsuchším kontinentom s výraznými stepami a savanami. Zvieratá museli prekonať veľké vzdialenosti k ďalšiemu vodnému otvoru a k ďalšej pasienkovej oblasti (čerstvá tráva, ktorá rástla po miestnej búrke). Vďaka schopnosti klokanov skákať to dokážu bez toho, aby stratili príliš veľa vody.
Suchosť tohto kontinentu spôsobila, že bol nevyhnutný vývoj dvojnohého výskoku.
Výskyt skákania dvoma nohami u iných prísavníkov ukazuje, že tento typ pohybu je prispôsobením sa životu v suchých oblastiach: Jerbery sa vyskytujú na Sahare a klokaní krysy v púštnych suchých oblastiach Ameriky.
Nevýhody bipédie:
S touto špecializáciou sa pripúšťa, že pomalý pohyb (u klokanov dokonca „päťnohých“, pretože chvost * funguje ako druh piatej nohy) stojí viac energie ako u štvornohých priateľov - pri rýchlosti 5 km/h asi štyrikrát viac ako pri inom struku Veľkosť.
Zadné nohy a ich kĺby museli byť kvôli vysokému zaťaženiu pri skákaní spevnené, takže extrémne zmeny smeru pri rýchlom pohybe sú ťažko možné alebo dokonca nie je možný pohyb dozadu, čo je vidieť na cestách v Austrálii. Zadné končatiny sa zároveň nedajú posúvať nezávisle, prinajmenšom na súši, prekvapivo je to však možné vo vode pri plávaní.
Okrem toho je veľkosťové obmedzenie tejto skupiny zvierat značné, pri väčších zvieratách by bol vzťah medzi „užitočným zaťažením“ a hmotou potrebných pohybových svalov neekonomický. Slon jednoducho nemôže skákať.
* Pri pomalom pohybe slúži chvost ako druh piatej nohy. Používa sa na súčasné zdvíhanie zadných končatín a na ich nastavenie vpred (pozri obrázok v strede).