ПРЫЖОК БЛОХИ
М. РОТШИЛЬД
Блоха - чемпион по прыжкам в высоту и в длину, правда, чемпион не абсолютный, а относительный высота прыжка и преодолеваемое расстояние в сто и более раз превышают размеры тела маленького прыгуна. Человек с такой прыгучестью шутя перепрыгивал бы через высотные здания.
В статье, опубликованной в журнале «Сайентифик америкен», американский биолог Мириам Ротшильд и ее сотрудники рассказывают, как им удалось, используя скоростную киносъемку, раскрыть механизм феноменальных спортивных способностей блохи. Реферат статьи подготовила Е. Завенягина.
Прыжок блохи так внезапен и скорость взлета так велика, что человеческий глаз не в состоянии его проследить. Высокоскоростная киносъемка (3 500 кадров в секунду) позволила замедлить этот быстрый процесс почти в полторы сотни раз. Долго не удавалось получить четкие кинокадры. Как заставить блоху подпрыгнуть именно в той точке, куда наведен объектив? Исследователи воспользовались естественной склонностью блох перед прыжком вскарабкиваться на небольшое возвышение.
Приведем некоторые любопытные цифры блоха, размеры которой не превышают 1 - 2 мм, а вес - 250 микрограммов, способна прыгнуть в высоту на 330 миллиметров. Так, как угол взлета близок к вертикальному, расстояние, перекрываемое в прыжке, не столь велико, около 200 миллиметров, но все же оно превышает длину тела насекомого более чем в 100 раз. В первую миллисекунду взлета блоха развивает ускорение, равное 140 g, то есть в 140 раз превышающее ускорение силы тяжести! Если блоха голодна, □ на может скакать в поисках жертвы без передышки более 70 часов кряду, делая в час по 600 прыжков. И, наконец, прыжок блохи хорошо скоординирован. В отличие от кузнечиков, которые в воздухе могут терять ориентацию, кувыркаться и часто приземляются на спину, блохи в 80 случаях из 100 прочно опускаются на ножки, а устойчивость в полете им придают широко расставленные задние лапки.
Столь выдающиеся прыгательные способности необходимы блохе, чтобы выжить в борьбе за существование. Поскольку ранние стадии развития насекомое проводит либо в подстилке гнезда или норы своего «хозяина», либо в трещинах почвы, а взрослые блохи □едут паразитический образ жизни на различных теплокровных животных, очевидно, что самым критическим и существенным для всей дальнейшей жизни блохи является момент перепрыгивания с земли на проходящее мимо животное. Этот «летучий» прыжок, играющий ключевую роль в жизни насекомого, стал возможен благодаря тому, что эволюция наделила блоху чрезвычайно эффективным прыгательным механизмом, который не только помогает насекомому обрести своего «хозяина», но, и является средством спасения в случае опасности.
Кинокамеру нацелили на пластмассовую «тумбу», поставленную посредине широкой и высокой стеклянной банки, в которой находилось 50 блох. То одна, то другая влезала на «стартовую площадку», оказывалась в фокусе объектива и прыгала.
Измерив на кинопленке скорость и ускорение прыжка, биологи встали в тупик получалось, что мышцы не могут обеспечить столь быстрое движение.
Оказывается, летучий прыжок блохи потому так существенно отличается от других форм биологического движения, что основан на совершенно ином принципе. Если большинство животных передвигается за счет сокращения и расслабления мышц, то в прыжке блохи они играют лишь вспомогательную роль. Активная энергия мышц блохи расходуется на сжатие особого резиноподобного белка, так называемого резилина, который способен запасать и высвобождать энергию более эффективно, чем любая резина, а также может развивать большую мощность, чем самые активные сократительные мышцы. Резилин является идеально упругим веществом сокращаясь после предварительного растяжения, он выделяет 97% запасенной энергии, теряя в виде тепла всего лишь 3%. Для сравнения укажем, что у обычной резины потери энергии составляют около 15%. Даже после того, как шарик резилина находился в растянутом состоянии несколько месяцев, он споL собен в течение нескольких секунд восстановить свою первоначальную форму.
Рассмотрим, как блоха готовится к прыжку. Ей необходимо сжать резилин, то есть запасти энергию для прыжка. Прокладки резилина находятся в местах подвижного сочленения груди блохи (ноги у насекомых крепятся к трем грудным членикам; задние - прыгательные - ноги блохи крепятся к последнему из них). Как видно из приведенных снимков и рисунков, блоха перед прыжком опускает голову и изгибает грудной отдел. При этом прокладки рехилина в местах сочленения сжимаются. Для того, чтобы удерживать резилин в напряженном состоянии, у блохи имеются особые «запоры». Изгибание груди и сокращение тела происходят до тех пор, пока выступы на грудных сегментах не войдут в соответствующие им впадины на соседних сегментах и не произойдет защелкивание стопорного устройства (см. рис.). Тогда все три грудных сегмента оказываются фиксированными в единое целое, а резилин находится в напряженном состоянии и готов высвободить энергию для прыжка. После этого мышцы могут и. расслабиться, но резилин, все же благодаря стопорным устройствам остается «заряженным». Такая «сгорбленная» блоха, как бы взведена и готова к прыжку. Для того, чтобы выстрелить, нужно спустить курок. Это делают другие мышцы. Они опускают бедро, хитиновые выступы груди выходят из зацепления и туловище блохи распрямляется, освобождая резилин. Происходит мгновенное высвобождение запасенной в резилине энергии и она по прочным хитиновым «рычагам» передается к ногам, которые, в свою очередь, с силой «выстреливают» в опору, в результате чего и происходит прыжок.
Чтобы лучше понять механизм прыжка блохи, представьте себе человека, у которого в основании ног (в тазобедренном суставе) находится по упругому резиновому шару. Чтобы высоко подпрыгнуть, такой прыгун становился бы на колени, напрягая свои резиновые пружины, а затем резко распрямлялся и взлетал бы. Такая аналогия, может быть, заставит поморщиться специалистов-энтомологов, но она наглядна.
Особенность блошиной системы, во-первых, в том, что она обеспечивает движение более быстрое, чем позволили бы мышцы. Кроме того, освободив свои защелки, блоха получает синхронный залп обеими задними ножками. Поэтому она не кувыркается на лету и не заваливается на бок. Добиться такой синхронизации с точностью до малейших долей секунды, работая мышцами, значительно труднее.
Еще одна особенность резилина - независимость его свойств от температуры. На снегу в Альпах почти при нулевой температуре можно наблюдать прыгающих птичьих блох, причем прыгательные способности их на холоде нисколько не уменьшаются. Мышцы же, напротив, работают тем медленнее, чем ниже температура окружающей среды (конечно, это не относится к теплокровным животным, которые поддерживают температуру тела постоянной).
Насколько сейчас известно, блоха является единственным насекомым, взлетающим при помощи резилина в ногах. Есть еще одно насекомое - это жук-щелкун, - которое использует примерно ту же систему, что и блоха, а именно запасающий энергию резилин в сочетании со стопорными устройствами. Однако прыгает он несколько иначе. Когда жук-щелкун готовится к прыжку, он ложится на спину, изгибает тело дугой, затем резко выпрямляется и подбрасывает себя в воздух. Вероятно, характерный звук, которому жук и обязан своим названием, вызывается, как раз защелкиванием стопорного устройства. Этот жук прыгает в высоту на 30 сантиметров, развивая ускорение в 380 g.
Сравнительное изучение анатомии блох, их личинок и других насекомых привело ученых к предположению, что предки блохи были крылатыми. Например, резилин обнаружен в летательном аппарате саранчи и стрекозы. Там он обеспечивает более успешную координацию быстрых летательных мышц, но, несмотря на удивительную способность к быстрым ритмическим сокращениям, эти мышцы непригодны для совершения мгновенного сильного прыжка. Сменив образ жизни на паразитический, предки блохи утеряли крылья и перешли к более простому способу перемещения, но тем не менее некоторые элементы летательного аппарата сохранились. При этом поражает та артистичность, с, какой естественный отбор включил эти элементы в новый прыгательный механизм, как бы частично вернув уже утраченный аппарат полета.
Читайте в любое время