Ссылки для упрощенного доступа

logo-print

Методы инженерных расчетов в биологии, или как устроен рот утки


Ирина Лагунина: Порой зоологов ставят в тупик данные наблюдений за животными, полученные с помощью сложнейших приборов. Но тогда можно рассмотреть скелеты позвоночных в качестве механических устройств, подобных передвижным конструкциям, и применить к ним методы инженерных расчетов. Так иногда получается понять то, что прежде не поддавалось объяснению - например, принцип работы челюстного аппарата утки. Об этом рассказывает профессор биологического факультета МГУ Феликс Дзержинский.


С ним беседуют Ольга Орлова и Александр Марков.



Ольга Орлова: Феникс Янович, давайте продолжим разговор о том, как работают ваши теоретические методы в зоологии и как с их помощью можно понять и объяснить то, что удалось пронаблюдать вашим коллегам-зоологам в ходе своих экспериментов.



Феликс Дзержинский: Могу привести другой пример. Голландцы провели очень хороший эксперимент, изучая работу челюстного аппарата утки, ротового аппарата утки, которая фильтрует корм быстрыми движениями челюстей, закрывая, раскрывая клюв, не так, как пингвины, а совершенно по-другому, раскрывая, закрывая и, кроме того, гоняя язык как поршень, утка прогоняет воду через клюв. Очень серьезные поставленные экспериментальные исследования. Во-первых, ускоренная съемка, во-вторых, электромиография. То есть регистрация моментов активности челюстной мускулатуры для нескольких мышц по электрическим импульсам, которые издает эта мускулатура. Очень тонкая работа, потому что эти импульсы весьма слабы, нужны очень хороште усилители, нужно очень хорошее кронирование помещения, потому что эти провода, идущие от них, начинают работать как антенны, воспринимающие внешние электромагнитные волны. И что же оказалось? Оказалось что нижняя челюсть ведет парадоксально. Она поднимается, когда напряжены мышцы опускающие ее, и опускается, когда напряжены мышцы, которые ее напрягают.



Ольга Орлова: А как такое может быть?



Феликс Дзержинский: Вот так. Известно, что существуют связки в челюстном аппарате, которые крепятся вблизи челюстного сустава к нижней челюсти, они были описаны как источник автоматических эффектов, которые связывают движение обеих челюстей, делают их симметричными. То есть достаточно открыть нижнюю челюсть, чтобы автоматически поднялась верхняя. А челюсти у птиц подвижны обе отдельно, не так как у зверей. И вот решили, что, наверное, связки ответственны за это парадоксальный эффект. Вычертили челюстной аппарат и тригонометрически вычислили, аналитически рассчитали величину усилий, которые должны падать на эти связки для того, чтобы они могли противоборствовать усилию мышц. Они представили это в своей работе, но там видно, что напряжение связок должно быть столь чудовищным, что от них можно было бы ожидать страшной толщины, гораздо толще мускульных сухожилий в этих мышцах. Мышцы сложноперистые, и они прилагают усилия к костям через сухожилия. Этого нет. Связки достаточно скромные. Таким образом гипотеза отвергается. В то же время если нашим способом постараться построить целостную картину явления, то видно, что поскольку это происходит в воде, то челюсти соединены порцией воды, которая включена между ними и обязательно состязаются. Верхняя челюсть, как более короткая, сильнее и поэтому, когда челюсти раскрываются, то верхняя как более сильная тащит за собой нижнюю, клюв открывается, потому что нижняя челюсть отстает, но она все-таки идет вверх. А когда нужно закрыть клюв, то обе челюсти идут вниз, потому что верхняя сильнее, нижняя челюсть отстает, то есть челюсти сближаются. Но это происходит заметно, но все-таки нижняя челюсть движется против усилий своих мышц.



Ольга Орлова: А где мы можем еще наблюдать движение против усилий своих мышц?



Феликс Дзержинский: Движение против усилий мышц возможно. Когда мы с вами спускаемся с лестницы, тоже наша мускулатура работает как при подъеме на лестницу, но только чуть-чуть слабее и поэтому она рассеивает нашу потенциальную энергию, а не накапливает ее как при подъеме на лестницу. То есть, короче говоря, проблема на самом деле смешная.



Александр Марков: То есть это за счет того, что вода между челюстями находится?



Феликс Дзержинский: Конечно, челюсти связаны. И вот это парадоксальное движение вызвано их взаимодействием через воду.



Александр Марков: А как так получилось, что ваши коллеги зарубежные не догадались об этом, а вам удалось открыть такой механизм?



Феликс Дзержинский: Я думаю, потому что у нас другая установка. Кажется, в какой-то мере характеризует метод. У них установка экспериментальная, что они проводят наблюдение, а мы копаемся в аппарате.



То есть вы ищите причину, у вас причинный подход.



Феликс Дзержинский: У него тоже. Но он был сосредоточен на записях приборов больше, чем на аппарате. А у нас нет никаких записей приборов, мы копаемся только в аппарате и строим целостную картину явления, мы ее синтезируем из представлений о свойствах аппарата, который не выводим из его геометрии. Это очень интересный пример, но тоже не очень понятно, я это могу объяснить только установкой. Я с ним знаком лично, он старше меня, сейчас он отошел от дел, но он очень не слабый исследователь.



Александр Марков: То есть вся исследовательская работа, как проходит только в голове или вы делаете расчеты какие-то, силу, взаимодействие.



Феликс Дзержинский: Мы представляем в виде чертежи. Когда-то мне удалось изучить работу такого Бена Куммера «Принципы строения скелета млекопитающих». Эта работа издана была в 59 году, где он чертил сложные схемы, основанные на принципе параллелограмма сил, характеризующие ею нагрузку конечностей млекопитающих многими мышцами. Ему удалось вот этим способом не аналитически, не при помощи вычислений, а при помощи графического метода представить эту картину в очень наглядном виде. Это особенно интересно потому, что как в графическом и наглядном виде мы рассматриваем скелет, так нам очень интересно в графическом и наглядном виде представить схемы сил. Мы как бы на чертеже запускаем в работу этот скелет, мы в какой-то мере как бы проводим графический эксперимент. Но что еще интересного я хочу отметить для этих чертежей. Я много и постоянно думаю об этом, и нередко приходят лучезарные мысли в троллейбусе, но потом, когда я сажусь за бумагу и начинаю это вычерчивать, чертеж меня позорит, и эти лучезарные мысли отвергает. Он упрям, он не позволяет выдать желаемое за действительное. И хотя бывает иногда очень огорчительно, но я этим очень дорожу, это значит достаточно адекватный метод, эти схемы сил. Это есть хорошая модель, где если концы не сходятся с концами, то остается только занавесить на это дело и ждать, искать следующие интересные идеи.



Ольга Орлова: А можете вы показать, привести пример, как этими же методами пользуются другие коллеги-зоологи? Насколько это широко применимо?



Александр Марков: Какой-нибудь еще интересный пример может быть расскажете?



Феликс Дзержинский: Мой товарищ изучает челюстную мускулатуру дятлов, челюстной аппарат дятлов. Дятлов изучили много. Ясно, что дятлы адоптированы к долблению, к удару. И вдруг в толще челюстной аппаратуры, жевательных мышц, которые сжимают челюсти, располагаются позади, обнаруживаются косо ориентированные мышечные порции не так, как они бывают ориентированы у цапли, которая использует гарпунный удар, а так, как они ориентированы у журавля, который выдергивает корневища из земли, адаптирован к выдергиванию корневищ. Что же выдергивает дятел? То есть этот пример подсказал нам, что надо искать.



Ольга Орлова: И что, вам удалось найти ответ?



Феликс Дзержинский: Удалось найти. Главный объект для долбления у дятла,ведь есть дятлы, которые добывают свой корм без долбления. Например, зеленый дятел он охотится муравьев при муравейнике или тропические бородастики питаются плодами. Но долбят себе дупло. Значит получается, что изготовление гнездового укрытия - это важнейшая, может быть даже главная задача для этого долбящего аппарата.



Ольга Орлова: И как работает этот аппарат?



Феликс Дзержинский: Дятел начинает с того, что он продалбливает твердый слой древесины, заболонь не сгнившую, долбя поперек волокон, перерубая и отщепляя, но потом когда заболонь разрушена, и он проникнул внутрь ствола, ему надо проходить в ядре, пускай отчасти сгнившем ядре ствола, то есть в неживой, законсервированной, а потом сгнившей древесине, низ вдоль волокна, при этом выдергивая щепочки, разрыхляя и выдергивая щепочки. И вот не будь этого примера, мы бы и не догадались, какая проблема возникает при долблении дятлом, что есть серьезная задача щипать и выдергивать.



Александр Марков: Поняли вы это, просто увидев косые?



Феликс Дзержинский: Поняв, что челюстной аппарат дятла приспособлен к выдергиванию. Потому что эти мышцы наклонные, идущие под глазом косо назад, совершенно необходимы для того, чтобы клюв мог выдержать выдергивающие усилия. Дело в том, что верхняя челюсть у птиц прижимается вниз горизонтальным усилием. Оторвать какой-то внешний предмет птица тоже должна горизонтальным усилием, только противоположным. И получается, что если у нее нет двойного запаса горизонтального усилия, то верхняя челюсть не выдерживает, отгибается, и предмет вырывается из клюва. Мы знаем много птиц, которые приспособлены к открыванию, и у них существует какой-нибудь способ двойного горизонтального усилия для верхней челюсти. Двойного условно, дополнительного, избыточного. От дятла мы этого не ожидали. Многие птицы такого рода имеют крючок, некий замок на конце клюва, при помощи которого они могут уцепить покрепче. У дятла нет крючка никакого, потому что челюсти на конце идеально прямые, это долото, адаптация к долблению запрещает дятлу какое-той изгиб клюва, потому что он бы ослабил челюсть, он бы добавочно нагружал. И вот в этих условиях получается, что задача прочно схватить для выдергивания объект, у дятла осложнена. И поэтому укрепление верхней челюсти против отступания, оно форсировано, особенно наглядно заметно.



Ольга Орлова: Интересно, что вы находите такие особенности у птиц, которые живут в Европе, в России, и для нас довольно хорошо известны.


XS
SM
MD
LG