Гонки по вертикали: 13 приспособлений, при помощи которых животные и человек преодолевают гравитацию

Борьба с земным притяжением началась сразу, как только животные вышли на сушу: громоздкие двухметровые амфибии, похожие на рыб с лапами, что выползли из Мирового океана около 360 миллионов лет назад, с трудом волочили брюхо по земле*. Ведь в воде царит невесомость имени Архимеда, а вот на суше древние тетраподы столкнулись с силой тяжести и сразу принялись изобретать способы ее преодолеть.

С тех самых пор животные — от червей до шимпанзе — тащат свое тело вверх, не желая быть рабами поверхности земли. Впрочем, делают это они не ради свободы, а главным образом чтобы найти пропитание, воду и убежище.

Покоряя вертикаль, животные вынуждены решать массу сложных задач. Прикрепить или зацепить конечность за гладкий и скользкий субстрат помогают когти или вакуум. Преодолеть пропасть между ветвями — планирующий полет. Для экономии энергии некоторые животные обзавелись сухожилиями, которые позволяют ухватиться и держаться, не напрягая мышц.

Другие, чтобы не тратить лишнее тепло на обогрев конечностей, создали хитроумный теплообменник из сосудов, который позволяет ослабить обогрев лап, при этом сохраняя подачу в них глюкозы и кислорода. Словом, на каждую проблему природа предлагает десяток решений. Вот некоторые из них.

Цепкие жабры

Среди современных рыб есть несколько видов, способных выползать из водоема. Обычно они делают это, когда в прежнем месте обитания заканчивается вода или кислород и приходится искать новое. Умеешь вылезти из воды — залезешь и на дерево: так делает рыба анабас, обитающая в Южной Азии от Индии до Филиппин. Анабас цепляется колючими жабрами и анальным плавником за кору. На суше анабас дышит атмосферным кислородом при помощи особого «лабиринтового органа», который находится под жаберной крышкой; нередко рыба закапывается в грязь, где строит вокруг себя твердый кокон из собственной слизи, и так пережидает засуху.

Лазать по деревьям способны и илистые прыгуны из Юго-Восточной Азии (Вьетнам, Камбоджа). Воздушные корни мангровых деревьев служат им самой подходящей опорой, поскольку мангры растут прямо из воды, в приливно-отливной зоне. Прыгуны не желают покидать эту богатую пищей и убежищами территорию и упорно карабкаются по корням, чтобы переждать отлив.

Клешни альпиниста

Когда нужно лазать по деревьям, очень кстати иметь десять ног. Клешни крабов, созданные природой для захвата добычи, могут служить и снаряжением для лазанья.

Пальмовый вор — краб, обитающий на островах в центральной части Тихого и Индийского океанов, выкапывает норы в песке или устраивается в расщелинах камней (любимое убежище молодых крабиков — половинки кокосов), а затем при помощи жеваного кокосового волокна герметизирует вход и получает стопроцентную влажность, необходимую, чтобы дышать.

За новыми орехами ему приходится лазать на кокосовые пальмы. И вот здесь ему очень помогают клешни, с помощью которых он удерживает свое массивное тело на стволе. Вес взрослого животного достигает четырех килограммов, пальмовый вор является самым крупным наземным членистоногим. Он настолько приспособился к сухопутной жизни, что утонет меньше чем за сутки, если его бросить в воду. В море крабы ходят только на нерест.

Текучее тело

Гусеницы — самые успешные травоядные верхолазы, потому что могут по желанию делать любую часть своего тела тверже или мягче, перетекая, прилипая где угодно и как угодно, каждую секунду приспосабливая форму тела к требованиям опоры.

Они могут завязаться в узел, могут, затвердев, перекинуться мостиком через разрыв в опоре, даже если он размером 90% от их собственной длины. Гусеницы вдохновляют инженеров-создателей мини-роботов, которые должны легко передвигаться по неоднородным поверхностям, например по завалам после бомбежки.

Клейкие ноги

Огромные тарантулы на самом деле очень примитивные пауки: они не плетут сетей, а укрепляют паутиной норки. Но даже они демонстрируют пользу паутины для лазанья: иссиня-черные, с абрикосовыми полосками тарантулы Antrodiaetus seemanni, оказывается, выделяют капли клейкой паутины не только из брюшка, но и прямо из кончиков ног, из особых форсунок, чтобы клеить их к поверхности.

Некоторые пауки для удобства перемещения создают гигантские сети. Чтобы преодолеть разрывы между ветвями, они размахивают липкой нитью, пока не зацепят ее за субстрат. Техасские пауки Tetragnatha guatemalensis живут миллионными колониями в лесах и плетут тенёта площадью по несколько гектаров: настоящая сеть паучьих хайвеев и охотничьих угодий. Там, где для других животных одни препятствия, пауки легко перемещаются и ловят летающих насекомых.

Скользкая натура

Мелкие древесные амфибии настолько же красивы, насколько и ядовиты. Бразильские лягушки-древолазы живут в воде, что скапливается в розетках листьев бромелий, растущих высоко на деревьях. Казалось бы, плоские подушечки на пальцах древолазов всегда влажные и должны скользить.

Склизкая кожа — это вообще ключевая особенность любых амфибий. Из-за слабого развития легких земноводным приходится дышать еще и кожей (а в воде — только кожей). Следовательно, она должна быть всегда влажной, чтобы в слизи растворялся атмосферный кислород. Железы на поверхности тела амфибий решают самые разные задачи, появляющиеся в ходе эволюции. Чего стоит, например, обеззараживающий секрет, который выделяют ладони самцов, чтобы смазывать кровавые пролежни, появляющиеся на коже самок в результате трехсуточного соития.

Для вертикальных передвижений древесные амфибии пользуются свойством адгезии: слизь поддерживает герметичность, когда их перепончатые лапки работают как присоски.

Что если присоски не выдержат? В этом случае летающая лягушка, обитающая на Яве, Борнео и Суматре, включает план Б и планирует на десятки метров с помощью огромных перепонок между пальцами (при длине тела 19 см общая поверхность раскрытых перепонок лягушки достигает 81 см²).

Впрочем, для адгезии вовсе не обязательны перепонки: древесная улитка, например, в качестве единой подвижной присоски использует все свое брюхо целиком.

Техничные лапы

Хамелеонам держаться на тонких ветвях в кустах или кронах деревьев помогают сросшиеся в клешни пальцы и цепкий хвост. Но эти приспособления не годятся для цепляния за более толстую опору, поэтому хамелеоны избегают гладких стволов крупных тропических деревьев.

А вот на наши российские сосны хамелеоны, привезенные из тропиков, залезают с легкостью, цепляясь за бугры и трещины в коре, — проверено опытным путем.

Молекулярное сцепление

Геккон — это икона ниндзя-стиля. У него на лапах есть липучки, состоящие из микровыростов эпидермиса. Эти липучки являют собой природную нанотехнологию, аналог хирургического пластыря.

Гребенки липучек настолько мелкие, что способны зацепиться за «неровности» молекул, подобно тому как альпинист хватается за неровности скалы. Говоря на языке физики, геккон использует не силу трения (которая работает при погружении когтя в мягкую кору), а так называемые вандерваальсовы силы.

Музыкальные наклонности

Древесные змеи лазают очень медленно и с большими затратами калорий, зато им доступны совершенно голые стволы любого диаметра. Английское название этого способа передвижения (concertina locomotion) связано с шестигранной гармошкой концертиной. Двигаясь по коре, рептилия изгибает свое тело так, чтобы за опору цеплялись то одни, то другие участки чешуи; те, что свободны, — перемещаются, отталкиваясь от участков, где зацепились другие.

Длинное тело позволяет свободно выбирать подходящую опору (змеи могут перекидываться мостом через пропасть, как и гусеницы). В случае падения летающая змея Chrysopelea paradisi, что обитает в Юго-Восточной Азии, начинает извиваться и раздвигает ребра, увеличивая поверхность тела. Это позволяет ей при длине около 120 см преодолевать в планирующем полете расстояния до 100 м.

Птичьи руки

Архетипическая картинка: сова сидит на ветке неподвижно, как изваяние. Чтобы она могла сидеть часами, природа создала в совиных пальцах сгибательные сухожилия, которые благодаря зазубринам намертво сцепляются с окружающей тканью в согнутом положении, — так птица крепко сжимает лапу, почти не тратя мышечных сил.

Попугаи знамениты своими клювами: верхняя челюсть, надклювье, откидывается на 90 градусов, позволяя при лазанье в густой тропической кроне пользоваться всей головой, как третьей рукой с клешней (к тому же у всех птиц суставы в шейных позвонках вращаются в двух плоскостях, что облегчает движение). Дятел лазает десятки часов по коре, выстукивая личинок: его лапы очень цепкие (формула пальцев 2+2, то есть второй и третий пальцы смотрят вперед, а первый и четвертый развернуты назад), а в хвосте есть особые жесткие перья-стержни, которые создают упор.

Существуют и птицы, которые цепляются «руками»: у птенцов гоацина из Южной Америки на передних конечностях есть когти, прямо как у динозавров, чтобы лазать по веткам. Правда, птенцы часто срываются, но без травм: гнезда гоацины плетут над реками, а плавать отлично умеют с раннего возраста.

Приемы млекопитающих

Разнообразие способов передвижения по деревьям у млекопитающих бесконечно. Уникальным сочетанием когтей и рельефных узоров на поверхности ладоней обладают австралийские коалы; у древесных дикобразов из небольшого хряща вырос шестой палец, чтобы сделать хватательную руку; древесные муравьеды имеют цепкий хвост и когти, благодаря которым легко встают на задние лапы; мангусты, спускаясь по стволу, выворачивают стопу на 120 градусов, чтобы когти работали против гравитации.

Крепкие пальцы

Самые маленькие лазающие звери — грызуны. Они осваивают опоры, которые нельзя охватить пятерней. Мышь-малютка имеет подвижные мозоли в виде 3–4 колпачков на ладонях и стопах, которыми может сжимать травинки. К мозолям подходят сухожилия особых мышц, которые и обеспечивают хватку.

Крупным млекопитающим непросто лазать: их центр тяжести заведомо дальше от опоры, а значит, велик вращающий момент, который может их свалить. Поэтому самое большое древесное животное, цепляющееся когтями, — трехкилограммовая индийская белка Ratufa indica (кошки и медведи не в счет, они залезают на деревья, лишь чтобы отдохнуть или поесть спокойно).

Пальцы на лапах обеспечивают более надежную хватку, чем когти. Поэтому пальцехватающие приматы бывают и 15, и 20 кг. Не удержавшись на ветке, они всегда могут просто повиснуть под ней. Некоторые, кстати, висят там постоянно, для этого опять хороши когти, но только рекордной силы и длины (7 см), как у ленивца. Все строение ленивцев приспособлено к зависанию под ветвями, даже шерсть у них растет необычно — от брюха к позвоночнику.

Ловкие создания

Короли лазанья, это, конечно, приматы. Изобретение нашего отряда — ногти вместо когтей. Плоская пластина ногтя стабилизирует мягкую плоскую подушечку (иначе она бы растеклась под нагрузкой), на поверхности кожи — узор линий и борозд для увеличения трения (кроме приматов отпечатки пальцев есть только у коал).

При контакте с мокрой поверхностью узор еще и морщинится, как у нас после ванны. Кстати, если перерезать чувствительные нервы кисти, этот эффект пропадет, то есть это не «размокание» кожи, как многие думают, а рефлекс, создающий дополнительное трение. У паукообразных обезьян, обитающих в основном в лесах Бразилии, «ладошка» (кожа с рельефным узором) есть и на хвосте, чтобы было легче цепляться.

При пальцехватании хорошо лазать по веткам небольшого диаметра: если крутануло, можно повиснуть под веткой. Именно на ветках малого диаметра, которые растут на периферии кроны, сформировался отряд приматов. Первые приматы, ровесники динозавров, собирали здесь насекомых и фрукты.

Но как быть с гладкой опорой большого диаметра, где пальцы не помогут? У самых маленьких обезьянок игрунок (влезают в рюмку) на руках сохранились коготки, а на больших пальцах стоп сформировались ногти. Приматы используют когти на больших стволах и несутся по ним вверх, как белки, цепляясь когтями. Хватательные ноги оказываются толчковыми в кроне, где тонкие ветки (и много вкусных насекомых). Получается такой полный привод.

А вот мадагаскарские лемуры — заднеприводные, они толкаются задними ногами для прыжков от одной вертикальной опоры к другой, на ноги же и приземляются.

Другой вариант: никогда не слезать с дерева и стать чемпионом по лазанью в тонких ветвях. Азиатский лори почти утрачивает указательные пальцы, и все четыре ноги превращаются в клешни для перелезания. Лори часами висит, вцепившись в ветви, и, чтобы не переохлаждаться студеной ночью в горах Вьетнама, экономит энергию, обогревая только корпус (для отключения обогрева лап сосуды в плечах лори образуют сеть-теплообменник).

Среди самых крупных древесных обитателей — гиббоны, жители Юго-Восточной Азии. Они не лазают, а летают. Брахиация — это способ передвижения, когда все тело раскачивается, как маятник, на длинной руке, потом отрывается и летит к следующей ветке. Пальцы срастаются в крючья, чтобы цепляться и раскачиваться, спина выпрямлена. Последнее качество послужило залогом прямохождения у потомков (австралопитеки происходят от брахиаторов). Этот вид древесной локомоции красив, но рискован: среди 233 скелетов гиббонов, исследованных в 30-е годы XX века цюрихским антропологом Адольфом Шульцем, около трети имели следы заросших переломов.

Страховочная пятка

Выше всех скачут по горам козлы. Между пальцами их двойных копытец высунут язычок кожи, для лучшего сцепления с неровностями — «пятка», торчащая между пальцев.

Мало того, между пальцами у них находится волосяной фитиль, по которому к копытам подается из межпальцевой железы жидкое сало — пластификатор, придающий эластичность копыту и тем самым улучшающий его сцепление с поверхностью скал.

Борьба человека

Что есть у человека для лазанья? На первый взгляд сплошные минусы. Большой вес, нецепкие ноги. Правда, у нас есть узор на ладонях, выпрямленный позвоночник и шарнир в плечевом суставе, а также ключицы, необходимые, чтобы висеть на руках.

Страх сорваться и упасть, вероятно, наследие предков, которые переходили от древесного образа жизни к наземному, утрачивая способности к лазанью. И все же многие люди готовы пересечь пол-Земли, чтобы залезть на недоступную вершину. Может быть, им доставляет удовольствие чувство контроля над гравитацией — извечным врагом всех, кто живет на суше.

_{Материал опубликован в журнале «Вокруг света» № 7, июль 2012, частично обновлен в июле 2023}