Простые движения Ученые разобрались в механике лягушек, акул и голубей: Наука и техника: Lenta.ru

Как прыгают лягушки, почему не тонут акулы и отчего у голубей получается закручивать такие лихие виражи? На эти и многие другие вопросы отвечает замечательная наука — биомеханика. Три вопроса, вынесенные в начало, не случайны — именно в этих направлениях в последние несколько месяцев биологам удалось достичь существенных результатов. Этим результатам (и немного самой биомеханике) посвящена эта статья.

На первых порах биомеханика была наукой о том, как движется и как работает с механической точки зрения именно человеческое тело. Леонардо да Винчи, например, называл человеческий организм образцом природной механики и, по мнению некоторых специалистов, может считаться основоположником этой науки. Из-за своей ориентированности на человека термин «биомеханика» иногда используется как синоним «биомеханики человека». Ниже, однако, речь пойдет о рыбах, птицах и животных, чье движение часто много интереснее человеческого.

Классический вопрос об акулах

Одним из классических вопросов биомеханики является вопрос описания движения акул. Дело в том, что средняя плотность этой рыбы как физического тела больше плотности воды, поэтому, если она не будет двигаться, то просто опустится на дно, и там и останется. Из-за этого акулы находятся в постоянном движении. При этом, разумеется, интересно знать, как именно они удерживаются на плаву?

Одним из первых замечательных открытий в биомеханике можно считать результат, полученный фотографом Эдвардом Мейбриджем в 1877 году. Изначально ни о какой науке речи и не шло — Мейбриджа нанял губернатор Калифорнии Лиленд Стенфорд, который утверждал, что во время галопа лошадь отрывает все четыре копыта от земли. Со Стенфордом были не согласны многие любители скачек, однако проведенный Мейбриджем эксперимент — по сути покадровая съемка бегущей лошади. В результате удалось не только доказать правоту Стенфорда, но и показать, что популярное на тот момент изображение скачущей лошади (с вытянутыми вперед передними копытами и назад — задними) не соответствует действительности, то есть во время скачки лошадь такую позу не принимает.

До недавнего времени ученые полагали, что дополнительная вертикальная сила, поддерживающая рыбу на плаву, создается благодаря форме тела и задранному носу. В свою очередь некоторые полагали, что акулы «подмахивают» себе хвостом — на это указывала необычная асимметричная форма хвостового плавника с сильно вытянутой назад верхней частью.

Подтвердить эти подозрения смогли только в 2002 году. В Journal of Experimental Biology появилась статья, авторы которой смогли разобраться с движением хвоста рыбы. Для этого они добавили в воду мельчайшие твердые частицы, движение которых регистрировалось двумя камерами. Используя собранные данные, ученые смогли при помощи непростого алгоритма восстановить трехмерную структуру потоков, создаваемых хвостом рыбы. В результате выяснилось, что, возникающие в результате движения хвоста завихрения, в том числе, поддерживают акулу на плаву.

В 2005 году биолог из Гарварда Брук Флэменг обнаружила, что в хвосте акулы есть мышца, которая не влияет на само движение хвоста из стороны в сторону, однако активно работает именно в процессе плавания. Тогда же Флэменг высказала гипотезу, что мышца отвечает за изменение свойств хвоста во время движения — в частности, его жесткости. Проверить это предположение на практике, однако, ученые смогли только сейчас — соответствующая статья появилась в журнале Proceedings of the Royal Society B.

В рамках новой технологии биологи (среди которых была Флэменг) использовали хорошо известную физикам технологию, которая, впрочем, до этого ни разу не применялась в биологии. Речь идет о более точном восстановлении структуры потока с использованием трех камер, а не двух. Сами потоки создавались рыбами, помещенными в аквариум с проточной водой (из-за тока рыбы плыли, оставаясь на месте, что очень удобно для съемки).

До этого исследования ученые предполагали, что за одно движение хвоста акула формирует сразу два завихрения — одно большое и одно маленькое. Таким образом вихревой след, создаваемый рыбой, состоит из двух множеств завихрений. Тестирование данного предположения на механической модели акульего хвоста показало, что след получается, какой нужно. Трехмерный анализ, однако, позволил обнаружить, что возникающие в результате работы завихрения связаны между собой (создаваемые токи жидкости «переплетаются»), а вихревой след представляет собой множество таких попарных завихрений.

Из этого немедленно вытекает, что механическая модель хвоста чего-то не учитывает — по мнению биологов, конечно же, изменяющуюся жесткость плавника при движении. При этом, правда, ученые пока не могут сказать, какие именно преимущества дает именно подобная работа хвостом — они предполагают, что такое движение обеспечивает почти непрерывную тягу, заставляя акулу ровно двигаться сквозь толщу воды.

Немного о полете

Не менее классическим вопросом биомеханики, чем предыдущий, является вопрос описания полета. Со стороны, конечно, может показаться, что все что летает, делает это просто размахивая крыльями. Однако, как показывают полученные в последние годы результаты, сам процесс размахивания у разных живых существ может заметно отличаться.

Мы поговорим о полете голубей, а точнее, о том, как они поворачивают во время этого самого полета. Не вдаваясь в подробности, поворот во время полета бывает двух типов. Первый связан с изменением направления вектора тяги, создаваемого крыльями птицы (направление рассматривается в системе координат, связанной с телом голубя), в то время как при втором направление этого самого вектора не меняется.

В конце ноября 2011 года в Proceedings of the National Academy of Sciences появилась статья, авторы которой сравнивали полет голубя с полетом вертолета (под вертолетным типом поворота ученые понимали второй из описанных выше типов). В рамках работы ученые снимали на высокоскоростную камеру полет голубя вида Columba livia. Птицу поместили в ограниченное пространство обычного гаража, заставив во время полета постоянно поворачивать.

После этого они моделировали аэродинамику движения птицы, используя видео, а также известное распределение массы голубя как твердого тела (не смотря на то, что он покрыт перьями и, вообще говоря, довольно мягкий). Оказалось, что направление силы, действующей на C. livia, относительно тела птицы не меняется. Сами исследователи сравнивают движение птицы с вертолетом. Посмотреть, как работает вертолет во время движения можно чуть ниже

Несколько слов о прыжках лягушек

Еще одним недавним результатом является прояснение вопроса, касающегося прыгания лягушек. Дело в том, что во время этого процесса лягушки испытывают огромные ускорения — одни из самых высоких среди позвоночных. Вместе с тем механизм возникновения такого ускорения до последнего времени не был до конца понятен.

В середине ноября 2011 года в журнале Biology Letters появилась статья ученых из университета Брауна. В работе описывались результаты наблюдений прыжков леопардовой лягушки Rana pipiens. При этом, главной особенностью проведенных исследований стало то, что ученые наблюдали непосредственно за работой суставов и сухожилий. Добиться этого удалось благодаря использованию высокоскоростной (500 кадров в секунду) рентгеновской камеры, а также металлических шариков, которые были имплантированы в лапы лягушек.

Раньше ученым было известно, что одной энергии мышц для прыжка недостаточно. Если быть точным, то она не дает и четверти нужной для прыжка. Как оказалось, дополнительная энергия запасается в сухожилиях. Перед прыжком они натягиваются (когда напрягаются мышцы), а во время прыжка высвобождаются. В результате уже на первом этапе угловая скорость суставов получается достаточно высокой. По словам ученых, этот механизм напоминает катапульту.

Вместо заключения

Конечно, описанные вопросы не охватывают и тысячной доли проблематики биомеханики. Вместе с тем, общее представление о том, какого рода результаты ученые получают на сегодняшнем этапе развития этой науки, получить можно. Важно, однако, не это, а то, что дело Аристотеля, заложившего основы этой науки в трудах «Части движения и перемещение животных» продолжает жить.

Попрыгали! В Германии спасают жаб, лягушек и тритонов – DW – 17.02.2023

Две болотные лягушки в Мекленбурге — Передней ПомеранииФото: Jens Büttner/dpa/picture alliance

Природа и окружающая средаГермания

Максим Нелюбин

17. 02.202317 февраля 2023 г.

В Германии из-за теплой погоды уже просыпаются первые амфибии. Что здесь делают, чтобы они не погибали под колесами?

https://p.dw.com/p/1IP97

Реклама

На территории Германии встречается около 20 видов амфибий. Среди них — травяные и прыткие лягушки, обыкновенные жабы, чесночницы, квакши, тритоны и саламандры. Как только ночные температуры перестают опускаться ниже пяти градусов, многие из них дружно направляются к водоемам, чтобы позаботиться о продолжении рода. Обычно это происходит в марте-апреле. 

В 2023 году, как сообщает агентство dpa со ссылкой на экспертов экологического объединения NABU, из-за теплой и дождливой погоды сезонная миграция земноводных в некоторых регионах Германии начнется уже в ближайшие дни второй половины февраля — в частности, в земле Северный Рейн — Вестфалия. Во многих местах на пути сезонной миграции амфибий оказываются дороги…

Осторожно, лягушки!

Специальный дорожный знак, предупреждающий водителей о сезонной миграции амфибий Фото: picture alliance/ZB

Полностью избежать попадания этих животных под колеса, увы, нельзя, но немцы предпринимают много мер, чтобы максимально уменьшить число амфибий, гибнущих весной на асфальте.

Во многих местах устанавливают специальные знаки, предупреждающие водителей. Почему на таких участках следует снижать скорость до 30 километров в час или даже ехать еще более медленно? Дело в том, что смертельную опасность для амфибий представляет не только попадание под колеса, но и повреждения внутренних органов от ударной воздушной волны, если автомобиль движется на более высокой скорости.

Кроме того, так как лягушки предпочитают передвигаться в сумерках, как раз в это время вдоль дорог часто совершают свои обходы волонтеры, поэтому движение на низкой скорости при плохой видимости снижает опасность ДТП.

Специальные меры

Жаба на обочине дороги в БранденбургеФото: picture-alliance/dpa/P. Pleul

Ставят специальные дорожные знаки не только ради спасения амфибий и безопасности помощников. Наезд на этих животных или на следы от раздавленных ранее жаб и лягушек, особенно в дождливую погоду и на большой скорости, может привести к заносу автомобиля и закончиться аварией. Так что, увидев предупреждение «Krötenwanderung», следует сильно сбавить скорость.

Какие меры еще предпринимаются? Согласно закону, анализ маршрутов сезонной миграции амфибий является обязательной задачей при планировании новых дорог в Германии. Там, где это необходимо, во время строительства трассы устанавливают направляющие заграждения и прокладывают специальные туннели под проезжей частью. 

Минимальная высота заграждений — 40 сантиметров, а на пути особенно прытких лягушек — еще на треть выше. Оптимальное расстояние между туннелями на таких участках, как рекомендуют эксперты, должно составлять примерно полсотни метров. Лучше всего их следует прокладывать с небольшим наклоном и так, чтобы… в конце был виден свет. Такими туннелями лягушки и другие амфибии пользуются более охотно.

Ответственность за эти сооружения несут автодорожные службы — следят, чтобы заграждения не зарастали (иначе амфибии полезут по веткам и стеблям), а сами туннели — не засорялись. Однако в Германии есть много дорог, проложенных до принятия этих законов.

Другие варианты 

Волонтер держит в руках ведро с амфибиями разных видов около города Росток Фото: picture-alliance/dpa/B. Wüstneck

В особо оживленных местах, если нет других вариантов, движение могут ограничить (например, запретить проезд в темное время суток) или  полностью перекрыть до тех пор, пока лягушки не закончат свои весенние дела. Во многих других местах ставят временные заграждения, как на фотографиях ниже. Попавших в специальные ловушки животных затем переносят на другую сторону — носят, так сказать, на руках…

Все для амфибий

Установка временного заграждения в ГарцеФото: Matthias Bein/dpa/picture allianceВолонтеры обустраивают защитную ограду вдоль дороги около Франкфурта-на-ОдереФото: Patrick Pleul/dpa/picture allianceУстановка временного заграждения в Бранденбургской Швейцарии в районе Меркиш-Одерланд Фото: Patrick Pleul/dpa/picture alliance

Следуя вдоль ограждения в поисках возможности перебаться на другую сторону, амфибии попадают в пластиковые ведра, закопанные в землю. В этих же ведрах жаб, лягушек и других земноводных затем переносят на другую сторону или сразу доставляют ближе к водоемам. «Такси для жаб» (Krötentaxi) — так в Германии называют этот бесплатный и комфортный сервис. 

Перепись и экскурсии 

Серая жаба в Тюрингии Фото: Franz Christoph Robiller/imageBROKER/picture allianceСпециалист объединения BUND в Баварии держит в руках гребенчатого тритона и горного тритона Фото: Nicolas Armer/dpa/picture allianceДве травяные лягушки в Баварии Фото: Nicolas Armer/dpa/picture alliance

Пользуясь случаем, экологи также производят учет амфибий, а данные размещают в интернете. Во многих местах в это весеннее время проводят экскурсии для детей, устраивают доклады и другие мероприятия. Например, в программе по защите амфибий немецкого объединения NABU по всей Германии участвует около четырехсот общественных групп.

Ожидание результатов

Две жабы около пруда в Бранденбурге Фото: picture-alliance/dpa/P. PleulЖаба и отложенная икра около Франкфурта-на-ОдереФото: picture-alliance/dpa/P. Pleul

Отметав икру, лягушки отправляются в обратный путь. Вскоре в этих водоемах появятся первые головастики.

Написать в редакцию

Реклама

Пропустить раздел Еще по теме

Еще по теме

Показать еще

Пропустить раздел Топ-тема1 стр. из 3

Пропустить раздел Другие публикации DWНа главную страницу

Разница между лягушкой и жабой

16 июня 2021 г. 16 июля 2021 г. / БИОЛОГИЯ / 2 минуты чтения

1 ОСНОВНЫЕ РАЗЛИЧИЯ МЕЖДУ ЛЯГУШКОЙ И ЖАБОЙ

Расскажите о различиях

Лягушка и жаба, не знаете разницы? Вы не одиноки. Хотя лягушки и жабы являются амфибиями, они представляют собой отдельные семейства животных. И хотя они во многом похожи, у них есть различия, хотя и не всегда явные.

Что такое лягушка?

Лягушки — это разновидность мелких животных, принадлежащих к группе позвоночных (животных с позвоночником), известных как амфибии. Это означает, что часть своей жизни они проводят в воде, а другую часть на суше. Слово «амфибия» происходит от двух греческих слов: «амфи», что означает «оба», и «биос», что означает «жизнь».

Земноводные — хладнокровные животные. Это означает, что температура их тела такая же, как температура окружающей среды. Их кожа впитывает воду в свое тело, поэтому им не нужно пить воду, чтобы выжить. У лягушек сильные задние ноги, что позволяет им прыгать вперед на большое расстояние. Передние ноги или руки короткие. Они используются для поддержки лягушки, когда она сидит.

Что такое жаба?

Жабы — земноводные. Они отличаются от большинства лягушек тем, что у них сухая кожа, бородавки, гребни за глазами и околоушные железы. Околоушные железы выделяют ядовитый секрет, помогающий жабе защищаться от хищников. Это вещество, называемое буфотоксином, может вызывать гибель мелких животных и аллергические реакции у людей.

У жаб есть и другие способы не быть съеденными. Если они коричневого или зеленого цвета, они могут сливаться с окружающей средой и избегать обнаружения. Если они ярко окрашены, они предупреждают хищников держаться подальше, потому что они ядовиты. Жабы также раздувают свое тело, пытаясь казаться больше и несъедобнее, если поблизости находится хищник.

ЛЯГУШКА	ЖАБА
Яйца откладываются гроздьями	Яйца откладываются длинными цепочками.
Головастики лягушки более тонкие и золотистого цвета	Головастики жаб крупные, черного цвета
Лягушка редко ползает	Жабы передвигаются в основном ползком
Они обычно худощавые и стройные на вид	Жабы короткие и короче лягушек
Лягушки имеют гладкую и влажную кожу	Кожа жаб сравнительно более сухая и неровная
Лягушки живут в воде или рядом с ней всю свою жизнь	Жабы гораздо лучше приспособлены к жизни на суше
У лягушек есть перепончатые лапы, соответствующие их полуводной природе	У жаб обычно нет перепончатых лап
У лягушек более длинные ноги, они могут прыгать выше и дальше, чем жабы	Жабы имеют относительно более короткие ноги и могут прыгать, но не так высоко, как лягушки

Заключение:

Лягушка и жаба относятся к амфибиям, а это означает, что большинство видов проводят часть своей жизни на суше, а часть в воде. Они подвергаются метаморфозу (то есть изменению), превращаясь из «головастиков», которые дышат жабрами, как рыбы, в лягушек, которые дышат легкими, как вы! В мире насчитывается около 3500 видов лягушек и жаб. Восемьдесят процентов обитают в тропических районах, хотя лесную лягушку можно встретить и за Полярным кругом. В Коннектикуте обитает 7 видов лягушек и 3 вида жаб. По данным Министерства энергетики и охраны окружающей среды Коннектикута, лопатоногая жаба считается вымирающим видом в нашем штате, а северная леопардовая лягушка — видом, вызывающим особую озабоченность.

Также прочтите Различия между лягушкой и жабой.




Расскажите о различиях

9 Различия между головастиками и лягушками, имеющие сходство

В чем разница между головастиками и лягушками?

Головастики и лягушки относятся к амфибиям. Лягушки начинают свой жизненный цикл как яйцо. Из них вылупляются водные личинки, известные как головастики. Головастики, в свою очередь, разовьются во взрослых лягушек.

Это не одно и то же. Они отличаются друг от друга внешним видом и поведением. Оба хищники. Питаются насекомыми, мелкой рыбой, червями, слизнями и пауками.

Могут ли аксолотли есть корм для рыб?

Пожалуйста, включите JavaScript

Могут ли аксолотли есть рыбную пищу?

Основное различие между головастиками и лягушками заключается в том, что головастики дышат жабрами, так как живут в воде. Лягушки используют легкие для дыхания. У головастиков также есть хвосты и плавники, которые помогают им плавать, а у лягушек есть руки и ноги, которые помогают им плавать.

Вам также может понравиться: Разница между черепахой и черепахой

Сравнительная таблица (головастики и лягушки)

Характеристики	Головастики	Лягушки 90 040
Кожа	Они выглядят как бородавки, покрытые небольшими бугорками и бугорками.	Их кожа гладкая и гладкая.
Ноги	У них ноги намного короче.	Их ноги длиннее, чем размер их тел, предназначенных для плавания в воде.
Форма	Они приземистые и коренастые.	Они гибкие и атлетически сложенные.
Нос	У них более широкий нос.	У них заостренные носы.
Спаун	Он плавает в волокнистой длине.	Лежит липкими комками.
Среда обитания	В основном живут на суше в полях, лесах и садах.	Населяют воду преимущественно в ручьях и прудах.
Деятельность	Это ночные животные.	Это дневные животные.
Хвост	У них длинный хвост.	У них нет хвоста.
Орган дыхания	Под водой они дышат жабрами.	Под водой они дышат легкими.

Что такое головастик?

Головастик — стадия жизненного цикла амфибии. Большинство из них живут в воде, хотя некоторые виды обитают на суше.

У них есть некоторые особенности, которых нет у взрослых земноводных. Особенности — боковые линии, жабры и хвосты.

Головастики в основном травоядные. Они питаются растительными веществами, найденными в воде. По мере взросления их рацион меняется. Орган, используемый для дыхания, также меняется с жабр на легкие.

В Китае их используют в пищу. Их собирают для потребления человеком. Он откладывает яйца в воду и плавает в тонких линиях.

Вам также может понравиться: Разница между рептилиями и амфибиями

Что такое лягушка?

Лягушки относятся к группе хищников. Это короткотелые бесхвостые амфибии. Они из ордена Анура. Они включают 7100 видов в 55 семействах.

Их личинки имеют хвосты, а взрослые особи хвостов не имеют. У них длинные задние ноги. Их кожа гладкая или бородавчатая. Их ноги перепончаты, чтобы они могли двигаться в воде.

Их кожа защищает и помогает им поглощать воду и помогает контролировать температуру тела. Они хладнокровны, поэтому у них есть механизм адаптации, позволяющий им жить. Чтобы согреться, они перемещаются к солнцу, при перегреве перебираются в тень.

Их общий защитный механизм — маскировка. Большинство замаскированных лягушек ведут ночной образ жизни. Они активны в ночное время.

Их кожа проницаема для кислорода и воды. У них есть кровеносные сосуды возле кожи, и это позволяет кислороду диффундировать в их кровь, когда они находятся в воде.

После спаривания самки откладывают яйца в воду группами. Это сделано для того, чтобы их не двигало волнами воды.

Вам также может понравиться: Разница между жвачными и нежвачными животными

Основные отличия головастиков от лягушек

1. Кожа головастиков имеет вид бородавок, покрытых небольшими бугорками и бугорками, в то время как у лягушек кожа гладкая и гладкая.
2. У головастиков есть хвосты, а у лягушек хвостов нет.
3. Головастики откладывают икру волокнистыми нитями, а лягушки откладывают икру комками.