Вывих — распространённая травма, особенно среди спортсменов. Конечно, эта травма не смертельна, но требует правильного лечения. В мире насекомых быть «спортсменом» — не признак выдающихся способностей, а обыденность: они бегают, прыгают, плавают, летают, но при всём этом вывихи им не свойственны. Недавно механизм блокировки вывиха открыт у жуков-лягушек Sagra femorata, обладающих гротескно увеличенными и видоизменёнными задними ногами. Внимание учёных привлекла не только забавная внешность жуков, но и функционал их задних ног, которые могут отклоняться вертикально вверх для отпугивания хищников. Как же их суставы терпят такое отношение?!
Насекомые освоили почти все доступные среды обитания — во многом благодаря наличию крыльев, которые делают их способными к активному полёту. Некоторые насекомые почти всё время проводят в воздухе, тогда как другие пользуются крыльями при расселении или бегстве от хищников. В большинстве остальных сред средством передвижения для них служат ноги. Так уж получилось, что естественный отбор закрепил странные, однако эффективные модификации конечностей. Среди них встречаются прыгательные, плавательные, копательные и другие варианты ног. У некоторых насекомых необычные конечности появились не из-за специфики среды обитания, а в связи с образом жизни. Пример — хватательные ноги у богомолов и других хищников.
Несмотря на разнообразие строения ног насекомых, все они организованы по единому принципу и состоят из пяти элементов: тазик, вертлуг, бедро, голень, лапка. Почти каждый сегмент соединяется с другими посредством суставов. Впрочем, нагрузка на эти суставы различается. У многих насекомых самый уязвимый — сустав между вертлугом и тазиком.
Наверняка, каждому так или иначе доводилось сталкиваться с колорадским жуком. Это опасный вредитель, чьи личинки и взрослые особи питаются листьями и зелёными побегами картофеля и ряда других паслёновых (к этому семейству относятся в том числе томат и баклажан). Жуки-лягушки (подсемейство Sagrinae) — очень отдалённые родичи колорадских жуков. И те и другие относятся к семейству листоедов. Sagra femorata тоже питаются растениями, при этом они не очень привередливы при выборе пищи и, в отличие от всесветного колорадского жука, распространены только в Юго-Восточной Азии.
Название жуков-лягушек (или лягушконогих жуков — от англ. frog-legged beetles) связано с обликом их задних ног, напоминающих лягушачьи. Во-первых, задние ноги гораздо крупнее двух остальных пар. Во-вторых, они отличаются необычными модификациями — бедро значительно утолщено, голень дугообразно изогнута и покрыта густыми щетинками, а обе части ноги дополнительно несут зубцы. При этом прыгать эти жуки не умеют.
Кроме того, жуки-лягушки обладают половым диморфизмом в строении задних ног. У самцов задние «лягушачьи лапки» почти вдвое больше, чем у самок. Различие в размерах ног объясняется тем, что самцам это оружие нужнее: они используют задние ноги в конкуренции за самок. Самец, которому самка не досталась, ползает в поисках «сладкой парочки», а когда находит, нападает на спаривающуюся пару, чтобы сбросить самца-конкурента. Так начинается бой — в ход идут задние лапы, а передние и средние служат опорой. Но сама модификация задних ног всё-таки присуща обоим полам. Зачем им это? Один из вариантов использования подобных ног — отпугивание хищников. Но разве достаточно «рельефа культуриста» на ногах, чтобы напугать врага? Скорее нет, однако жуки-лягушки используют их так, что позавидует и каратист.
Бой начинается со стойки. В случае жука-лягушки ею и заканчивается. Для отпугивания хищников Sagra femorata принимает позу угрозы подобно многим другим насекомым и животным. Жук способен задирать задние ноги вертикально вверх. Возможно, тем самым он даёт понять хищнику, что тот ошибся размерчиком и такого «гигажука» не проглотит.
Но энтомологи не удовлетворились этой гипотезой… В недавней работе* по изучению биомеханики суставов жуков-лягушек учёные из Зоологического института Китайской академии наук прошлись по всем возможным внешним стимулам для жука. На беднягу дули, кричали, тыкали пинцетом в переднеспинку, а потом и надавливали. В случае незначительного раздражения лапки жука приподнимались немного, максимум наполовину, а вот использование пинцета вызывало у насекомого явную сильную реакцию. Экспериментаторы последовательно отсняли, как жук-лягушка встаёт в позу угрозы. К слову, учёным удалось установить, что и борьбой жук немного владеет. Когда его переднеспинку хватали пинцетом, жук не просто задирал ноги, а цеплялся ими за пинцет и пытался выскользнуть из металлических объятий.
Вращательные движения конечности и возможность применения усилий в таком состоянии навели энтомологов на мысль, что стоит провести дополнительные исследования. Их изыскания привели к неожиданным результатам. Сделав 3D-реконструкцию сустава, они поняли, что дело не в биологии, а в инженерии. В месте сочленения вертлуг вытянут и имеет что-то вроде внешней резьбы, тогда как впадина в тазике содержит борозды, образующие внутреннюю резьбу. Вкупе они представляют не что иное, как механизм «винт-гайка».
Вообще-то наличие такого механизма в суставах насекомых достаточно давно показали и довольно подробно описали для долгоносика немецкие исследователи из Технологического института Карлсруэ. Выходит, никакой научной новизны нет в открытиях энтомологов из Китая? Это не совсем так.
Путь от инженерии обратно к биологии лежит через биомеханику. Теперь мы знаем, для чего такие «винтообразные» суставы вообще нужны. У Sagra femorata вертлуг может не только поворачиваться, но и смещаться внутри самого тазика. Его ротация в вертлужной впадине тазика позволяет ноге совершать движения вверх и вниз по дугообразной траектории. Эта способность помогает жуку преодолевать трудности, вызванные неудобной эллипсоидной формой тела. Он может спокойно использовать задние ноги, которые будут огибать тело благодаря смещениям их вертлугов.
Но почему суставы Sagra femorata называют самоблокирущимися? Механизм блокировки очень прост. Вспоминаем, что сустав устроен по принципу «винт-гайка». Сила трения в сочетании с небольшим углом наклона резьбы приводят к эффективному удержанию того или иного «груза» на месте. В данном случае «груз» — это нога. Таким образом, винтообразный сустав обеспечивает самоблокировку, которая не позволяет происходить вывиху.
Выходит, что многим насекомым травматизм вовсе не свойствен, несмотря на активный образ жизни и неординарное использование конечностей. При этом у жука-лягушки один и тот же механизм обеспечивает как безопасность, так и дополнительную функцию фиксатора ноги в определённом положении. Может ли данное открытие найти применение в биомиметике, прикладной науке, заимствующей идеи и решения из живой природы для технических разработок других нужд человека? Исследователи из Китая полагают, что да. Так, в инженерной робототехнике есть проблема преодоления умными машинами препятствий. Она особенно актуальна для роботов, выполняющих поисковые задачи. Есть одна любопытная работа, в которой сотрудники Калифорнийского университета вместе с коллегами из Университета Пенсильвании (США) выяснили, что «вездеходность» тараканов обеспечивается шипиками на их ногах, которые при контакте с поверхностью служат упорами, а при отрыве от неё проскальзывают гладким наружным краем, препятствуя застреванию. Подобную конструкцию воспроизвели на конечностях роботов, что повысило их проходимость на сложном трёхмерном рельефе.
Вполне возможно, что открытый недавно механизм самоблокирующегося сустава жуков-лягушек обретёт применение в биомиметике уже в ближайшем будущем. Например, на базе подобной конструкции сустава можно было бы сконструировать робота, который перемещается и поднимает или удерживает грузы с помощью одной и той же пары конечностей.
Роботы — это хорошо, но что насчёт самого человека? Можно ли создать суставы, которые невозможно вывихнуть, и нужно ли это? Здесь мы погружаемся в область фантазий, на которые не решились даже авторы исследования про жука-лягушку. Вряд ли кто-то всерьёз задумается о замене родного неповреждённого сустава на искусственный, хоть и усовершенствованный. Но вот имплант… Оказывается, в настоящее время сохраняется риск вывиха эндопротеза тазобедренного сустава, хотя вероятность этого крайне мала. Возможно, проектирование альтернативных эндопротезов тазобедренных суставов по подобию сустава жука-лягушки способно решить эту проблему? Пока остаётся только гадать.
Новое открытие наглядно показывает, насколько изобретательна природа. Подобные исследования не просто расширяют наши биологические знания, но и открывают большой потенциал их применения на практике. Насекомые, отличающиеся бесконечным разнообразием и безупречной механикой, представляют особый интерес. Наверное, именно поэтому их стоит считать важным источником вдохновения для развития биомиметики.
0
210.00
