Ptaki w biegu: co sprawia, że strusie są tak szybkie? Understand article

Tłumaczenie Paweł Trojak. Co sprawia, że strusie są tak szybkimi biegaczami? Nina Schaller spędziła blisko dekadę badając to zjawisko.

Zdjęcie dzięki uprzejmości
John Carnemolla / iStockphoto

Gdy podziwiamy niebosiężną mewę czy nurkującego pingwina, rzadko zastanawiamy się nad tym, że te pierzaste zwierzęta mają coś bardzo rzadkiego, wspólnego z nami: podczas gdy większość innych zwierząt porusza się na czterech, sześciu lub większej ilości kończyn, ptaki i ludzie są jedynymi prawdziwymi stworzeniami dwunożnymi.

Ewolucja rozwiązała problem poruszania się na dwóch nogach na dwa sposoby: ludzie są stopochodni (gdy chodzimy lub biegniemy kładziemy naszą całą stopę na ziemi), natomiast ptaki są palcochodne (chodzą na paluchach, lub palcach).

Niektóre gatunki ptaków są zdolne biec nie tyko szybciej niż ludzie ale nawet szybciej niż ich latające odpowiedniki. Najszybszym długodystansowym biegaczem jest struś afrykański (Struthio camelus). Przy równomiernym biegu 60 km/h z prędkością maksymalną przekraczającą 70 km/h, mógłby przebiec maraton olimpijski w 40 minut a nie w dwie godziny których potrzebowałby człowiek. To niezwykłe połączenie szybkości i wytrzymałości pozwala strusiowi pokonywać wielkie odległości w poszukiwaniu świeżych pastwisk lub zdystansować głodne hieny.

Nina i jeden z jej dorosłych
współpracowników, Tiffy

Zdjęcie dzięki uprzejmości
Gisela Löffler dla Bild der
Wissenschaft

Naukowcy długo poszukiwali wyzwań w temacie lądowego przemieszczania się z miejsca na miejsce, w szczególności wyścigowe umiejętności psów i koni wyścigowych. Jednakże, studia nad ptasimi trybami lokomotorycznymi badały już typową dynamikę lotu zwracając mniejszą uwagę na rodzaj kończyn (tych które specjalizują się w bieganiu).

Dziesięciotygodniowe
pisklęta strusia w ich nowym
domu

Zdjęcie dzięki uprzejmości
Jürgen Gass

Po otrzymaniu tytułu naukowego w dziedzinie biologii w 2002 r., zgłosiłam się na ochotnika do frankfurckiego zoo w Niemczech, gdzie zafascynowała mnie zdolność wyścigowa strusia i postanowiłam to zbadać. Hipotezą moich doktorskich badań było to, że narząd ruchu strusia przekazuje moc na podłoże z dużą wydajnością, zwiększając moc energetyczną (szybkość i wytrzymałość) przy jednoczesnym zmniejszeniu zapotrzebowania na energię (praca mięśniowa i metaboliczna).

By przetestować moją ideę postanowiłam studiować zarówno kształt jak i funkcję narządu ruchu strusia. Korzystając z autopsji, zbadałam anatomię ptaka, szukając wyspecjalizowanych struktur kończyny które mogłyby zredukować metaboliczny koszt ruchu. Jednocześnie, studiowałam biomechanikę żyjących strusi: jak siły fizyczne działały na ich anatomię gdy te były w ruchu.

Aby umożliwić ścisłą obserwację naturalnych sekwencji ruchu, osobiście opiekowałam się trzema strusiami w wielkim, niezadaszonym, ogrodzonym terenie, i przez ponad cztery lata, przyzwyczajałam dwa z nich do siebie i do eksperymentalnego toru wyścigowego. Wzajemne zaufanie było sprawą kluczową: kopnięcie strusia może zabić lwa.

Zwiększenie szybkości: długie, lekkie nogi

W biegnącym zwierzęciu, większe szybkości są osiągane poprzez zwiększenie zarówno długości jak i częstości kroków. Dłuższe nogi mogą wymachiwać dalej, a jeśli masa mięśniowa nogi jest usytuowana zaraz przy osi (blisko ciała), kończyna może wtedy wymachiwać szybciej, w taki sam sposób w jakim porusza się regulowany ciężar metronomu który im bliżej osi tym bardziej zwiększa tempo.

Ryc. 1: Liniowe długości segmentu kończyn; n wskazuje liczbę zbadanych okazów.
Przesuwne elementy kończyny:
Kość udowa (w pozycji horyzontalnej): ciemnoniebieski
Kość goleniowa: jasnoniebieski
Tarsometatarsus: bladopomarańczowy
Główny palec: ciemnopomarańczowy.
Kliknij na obrazek aby powiększyć

Zdjęcie dzięki uprzejmości Nina Schaller
nandu, nandu szare
Zdjęcie dzięki uprzejmości Quartl; źródło zdjęcia: Wikimedia Commons
nandu Darwina, nandu plamiste
Zdjęcie dzięki uprzejmości Jennifer Bergk; źródło zdjęcia: Wikimedia Commons
Emu, Dromaius novaehollandiae
Zdjęcie dzięki uprzejmości Quartl; źródło zdjęcia: Wikimedia Commons
Kazuary, Kazuar hełmiasty
Zdjęcie dzięki uprzejmości Dezidor; źródło zdjęcia: Wikimedia Commons
Kiwi, Kiwi Mantell
Zdjęcie dzięki uprzejmości Maungatautari Ecological Island Trust; źródło zdjęcia: Wikimedia Commons
Kukawka kalifornijska, Geococcyx californianus
Zdjęcie dzięki uprzejmości Black1a5h; źródło zdjęcia: Wikimedia Commons
Stopy kazuara
Zdjęcie dzięki uprzejmości Bjørn Christian Tørrissen; źródło zdjęcia: Wikimedia Commons

By zbadać tę zasadę, porównałam długości poszczególnych części kończyny (Ryc. 1) rozłożenie masy mięśniowej szybko biegających, spędzających większość czasu na ziemi gatunków ptaków. Ze wszystkich ciekawych ptaków, struś posiada najdłuższe kończyny w stosunku do jego wielkości i ma najdłuższą długość kroku podczas biegu: 5 m. Na dodatek, w większym stopniu niż inne gatunki ptaków, większość muskulatury jego kończyny jest ulokowana bardzo wysoko na kości udowej i stawie biodrowym, natomiast elementy przesuwne jego kończyny są stosunkowo lekkie, poruszane przez długie, redukujące masę ścięgna (Ryc. 2). To rozwiązanie optymalizuje kończyny strusia pod względem wysokiej prędkości poruszania się, dając im większą długość kroku i jego wysoką częstotliwość.

Ryc. 2: Anatomia porównawcza kończyn ludzkiej i strusiej: u ptaków, kość pomiędzy kostką i palcami – tarsometatarsus, jest wiele dłuższa niż u ludzi, i służy jako funkcjonalny odpowiednik naszej pionowej kości piszczelowej. Ptasi staw skokowy jest u nas na wysokości kolana, co wyjaśnia dlaczego ptak wydaje się wyginać “kolano” do tyłu. Jego właściwy staw kolanowy, ukryty pod upierzeniem, jest trwale wygięty i łączy się ze stawem biodrowym poprzez krótką kość poziomą uda. Czerwone linie łączą anatomicznie odpowiedniki stawów; zielone linie łączą funkcjonalnie odpowiedniki stawów.
U strusiów, masa mięśniowa jest skoncentrowana u szczytu nogi; podczas gdy długie ścięgna przeważają w dolnych regionach. Zacieniowane obszary pokazują główny rozkład masy mięśniowej, niebieskie linie wskazują lokalizację głównych ścięgien. Kliknij na obrazek aby powiększyć

Zdjęcie dzięki uprzejmości Nina Schaller
Ryc. 3: Eksperyment
pokazujący zdolność
wiązadeł stawu skokowego
do biernego podtrzymywania
ciężaru z góry (pokazano
tylko lewą stronę lewej
kończyny). Staw skokowy ma
wyprofilowane odstające
kości (na zielono) po obu
stronach.

Gdy staw jest w pełni
rozciągnięty (168°), wiązadła
po obu stronach (na
czerwono) są naprężone
ponieważ podają ten występ,
tym samym stabilizując staw.

Kiedy struś dźwiga paluchy z
ziemi, staw skokowy jest
zginany do poziomu poniżej
140° a wiązadła (na
pomarańczowo) mogą
swobodnie przesuwać się
wokół występów: mechanizm
stabilizujący jest rozprężany.
Kliknij na obrazek aby
powiększyć

Zdjęcie dzięki uprzejmości
Nina Schaller

Zmaksymalizowanie wytrzymałości: stabilne stawy

Szeroki zakres ruchów stawu pozwala ludziom wspinać się na drzewa lub tańczyć w balecie, lecz ta elastyczność ma swoją cenę. Gdy biegniemy, siła mięśni jest używana do napędu, ale również by zapobiec bocznym ruchom stawu, w skutek tego, zwiększając nasze zapotrzebowanie na energię w danym dystansie. Podejrzewałam, że strusie mają bardziej efektywne podejście.

W przeciwieństwie do energochłonnych mięśni i ich ścięgien, wiązania mogą pełnić rolę “gorsetu stawu” ograniczając boczne ruchy bez zużywania energii. By zademonstrować, że ten mechanizm był obecny, sfilmowałam moje strusie podczas biegu z różnych kątów by zarejestrować zakres ruchu ich kończyn. Potem powtórzyłam te pomiary na nietkniętym martwym strusiu, i w końcu szczegółowo zanalizowałam jego kończynę z usuniętymi mięśniami i ścięgnami, zostawiając jedynie szkielet i wiązadła stawów. Zasięg bocznych ruchów u żywych i martwych gatunków strusi był prawie identyczny. W przeciwieństwie, podobne porównanie u ludzi ujawniłoby olbrzymią różnicę w zasięgu ruchu bocznego, zwłaszcza przy stawie biodrowym, który jest stabilizowany przez działanie mięśnia. Moje badania wykazały, że wiązadła są głównymi elementami które kierują nogami strusia podczas wykonywania kroku, dzięki czemu moc mięśni może być prawie wyłącznie przeznaczona do przekazywania napędu.

Kiedy manipulowałam wyizolowanymi kończynami strusia, dokonałam kolejnego, nowego odkrycia. Gdy próbowałam nagiąć staw skokowy, musiałam pokonać pewien opór – niespodziewane znalezisko w martwej kończynie pozbawionej mięśni. Gdy uwolniłam staw, ten powrócił do pozycji pierwotnej, sugerując, że wiązania pozostały bierne trzymając rozłożoną kończynę ptaka. By przetestować tą teorię, wywarłam nacisk z góry, na stojącą, wyizolowaną kończynę, do momentu gdy staw skokowy przeszedł do zgiętej pozycji (Ryc. 3). Wymagało to 14 kg siły wywartej odgórnie – 28 kg masy ciała, żeby struś stojący na dwóch kończynach nie potrzebował aktywnego wsparcia podczas chodzenia lub biegania. Ten eksperyment wykazał, że oszczędność energii metabolicznej poprzez używanie wiązadeł jako biernego, stabilizującego kończyny mechanizmu jest doskonałym lokomotoryczną strategią wytrzymałości.

 

Dokonywanie kontaktu z podłożem

Ryc. 4: Prawa “stopa” strusia.
Od lewej do prawej: średnia
pozycja stojąca z bocznym
mniejszym paluchem
„odsadnią”; szkielet palucha
(czerwone strzałki wskazują
podniesiony staw palucha);
„stopa” widziana z góry;
„stopa” widziana z dołu.
Odsiebny = z dala od ciała;
dosiebny = bliżej ciała.
Kliknij na obrazek aby
powiększyć

Zdjęcie dzięki uprzejmości
Nina Schaller

Widzieliśmy, że lekkie kończyny są warunkiem koniecznym by osiągnąć szybki, wydajny ruch, i jedynym sposobem przy którym struś może to osiągnąć jest skoncentrowanie masy mięśniowej kończyny blisko stawu biodrowego. Dalsza strategia mająca na celu zredukowanie masy kości piszczelowej obejmuje specjalistyczną morfologię palucha i jego położenie. Może to być również zaobserwowane wśród innych zwierząt przystosowanych do biegania; współczesne konie, na przykład, ewoluowały od pięciopalczastych przodków do galopu na pazurze ich środkowego palucha – kopycie. Struś uległ podobnej ewolucji: podczas gdy większość ptaków ma cztery paluchy a większość z olbrzymich nielotów posiada tylko trzy, struś jest unikalny pośród ptaków chodząc jedynie na dwóch pazurach (Ryc. 1). Ponadto jest to jedyny ptak chodzący na czubkach swoich paluchów.

Zastanawiałam się jak temu, największemu i najcięższemu z żyjących ptaków, udaje się zachować równowagę i przyczepność biegnąc szybko na czubkach paluchów. Ponieważ nie ma ustalonej metody na badanie funkcjonowania palucha u żywych ptaków, używałam talerza ciśnieniowego, powszechnie będącego w użyciu u ortopedów, służącego do analizy rozkładu ciśnienia w ludzkich stopach. Trenowałam moje strusie w chodzeniu i bieganiu nad talerzem, przechwytując w czasie rzeczywistym, w wysokiej rozdzielczości dane dotyczące ciśnienia „stopy” strusia podczas kontaktu z podłożem. To pokazało, że wielki paluch wspiera większość masy ciała podczas gdy mniejszy zapobiega utracie równowagi przez strusia, działając jako odsadnia, zwłaszcza podczas wolnego spaceru.

Ryc. 5: Profil rozkładu
obciążenia prawej “stopy”
strusia zarejestrowany
talerzem ciśnieniowym.
Obszary na czerwono
wskazują bardzo wysokie
obciążenie; ciemnoniebieskie
wskazują mniejsze
obciążenie. Kliknij na
obrazek aby powiększyć

Zdjęcie dzięki uprzejmości
Nina Schaller

Przy wysokich szybkościach, miękkie podeszwy paluchów rozładowują napięcia podczas uderzeń o grunt, podczas gdy naładowana sprężyście postawa zachowuje się jak dodatkowy amortyzator (czerwona strzałka na Ryc. 4). Pazur ledwie styka się z gruntem podczas chodzenia, ale wywiera ciśnienie do 40 kg/cm² gdy ptak biegnie. Pazur przebija się przez grunt jak kute ostrze by zapewnić pewną przyczepność przy 70 km/h – maksymalnej szybkości przy użyciu minimalnej energii, idealna dla wytrwałego biegania na gruncie afrykańskiej sawanny (Ryc. 5).

Praktyczne zastosowania

Moje badania przeszły długą drogę by lepiej zrozumieć jak struś biegnie tak szybko przez tak długi czas. Teraz, kiedy rozumiemy te biomechaniczne strategie, doskonalone przez ponad 60 mln lat ewolucji, być może będziemy w stanie zaadoptować je we współczesnych technologiach takich jak dwunożne roboty, systemy zawieszenia i inżynierii związanej ze stabilizacją stawu. Poprzednie, niektóre z moich odkryć zainspirowały twórców „inteligentnych” ludzkich protez do zaadoptowania cech kończyn i paluchów strusia, które mogą umożliwić osobom po amputacji szerszy zasięg funkcji i zwrotności.

Download

Download this article as a PDF

Resources

Author(s)

Po zakończeniu studiów na kierunku biologia na uniwersytecie w Heidelberg w Niemczech, Nina Schaller pełniła wolontariat we frankfurckim zoo gdzie wyjątkowy przyjazny struś wzbudził jej zainteresowanie tym unikalnym lądowym kręgowcem. Przez ostatnie dziewięć lat, studiowała niespotykaną wydajność w biegu największego żyjącego ptaka. Opiekowała się strusiami i współpracowała z uczelniami i instytucjami naukowymi w: Antwerpii w Belgii; Wiedniu, w Austrii; Frankfurcie i Monachium w Niemczech; oraz Toronto w Kanadzie. Interdyscyplinarne podejście Niny doprowadziły do odkrycia styartegii zachowania energii które wyjaśniają jak struś radzi sobie żyjąc na szybkim torze.


Review

Zaskakujące a jednak oczywiste stwierdzenie, że „ptaki i ludzie są jedynymi istotami dwunożnymi” bierze pod uwagę badania, które Nina Schaller robi prawie od dekady. Przedstawia nam obraz multidyscyplinarnego podejścia do złożonego zjawiska – nieprzeciętnej szybkości i wytrzymałości strusia – badając biomechanikę i efektywność wydajności ptaka za pomocą anatomii (autopsja) i fizjologii (funkcjonalne badania). Wymienione zasoby, ponadto dostarczają wiele materiałów informacyjnych i dydaktycznych w temacie przemieszczania się strusia i człowieka.

Artykuł byłby ciekawym i użytecznym źródłem poruszającym tematy w biologii (biomechanice-kości, mięśnie, ścięgna i wiązadła; ewolucji – homologii i analogii) i fizyki (efektywność, siły, prędkość, sprężystość i ruch) zarówno na dolnym i wyższym poziomie nauczania w szkole średniej. Na przykład, mógłby poruszać temat biomechaniki chodzenia i biegania u różnych gatunków, ewolucji dwunożnego poruszania się u ptaków i ludzi, a także funkcjonalnych aspektów protez piszczeli (na przykład tych stosowanych przez sprintera Oscar Pistorius). Mógłby również dostarczyć wartościowego zaplecza informacyjnego przed wizytą w muzeum historii naturalnej lub zoo, czy laboratorium robotyki.

Odpowiednie pytania ze zrozumieniem obejmują:

  1. Hipotezą badań Nina Schaller był narząd ruchu strusia:
    1. maksymalizacje wydajności energetycznej i zapotrzebowania na energię
    2. minimalizacje wydajności energetycznej i maksymalizacje zapotrzebowania na energie
    3. maksymalizacje wydajności energetycznej i minimalizacje zapotrzebowania na energie
    4. minimalizacje wydajności energetycznej i zapotrzebowania na energie.
  2. Kończyny strusia mają
    1. muskulaturę zlokalizowaną wysoko na kości udowej oraz krótkie ścięgna
    2. muskulaturę zlokalizowaną wysoko na kości udowej i długie ścięgna
    3. muskulaturę zlokalizowaną nisko na kości udowej i krótkie ścięgna
    4. muskulaturę zlokalizowaną nisko na kości udowej oraz długie ścięgna.

Giulia Realdon, Włochy




License

CC-BY-NC-ND