Все знают, что ящерицы могут отбрасывать хвост. Но как они это делают? Серьезно, как? Ученые, кажется, нашли ответ и собираются испытать его на роботах
Европейский домовой геккон (он же турецкий полупалый геккон, Hemidactylus turcicus) после отбрасывания хвоста.
Matt Jeppson / Shutterstock
Международная группа ученых и инженеров из США и ОАЭ раскрыла физический механизм, который позволяет ящерицам легко отбрасывать хвост в случае нападения, но при этом обеспечивает его надежное крепление тогда, когда опасности нет. Механизм оказался связан со сложным устройством поверхности у мышечных волокон в хвосте этих животных. Чтобы проверить свою теорию, ученым даже пришлось создать полимерный аналог рептильного хвоста и опробовать на нем механизм отбрасывания. Авторы уже планируют использовать свое изобретение в робототехнике — для создания биомиметических устройств, способных, подобно ящерице, пожертвовать частью себя в особо затруднительной ситуации.
Способность ящериц отбрасывать хвосты хорошо известна и описана с древних времен, поэтому может показаться странным, что ученые в наши дни все еще занимаются исследованием этого вопроса.
Но на самом деле этот механизм настолько сложен и вызывает столько вопросов, что все оказывается с точностью до наоборот — странно, почему все ученые мира не отложили другие дела и не начали изучать только его.
Во-первых, если хвост так уж сильно мешает ящерицам спасаться от хищников, то почему в ходе эволюции им не удалось от него избавиться вовсе — как, скажем, это сделали лягушки? В чем эволюционное преимущество обладания хвостом, если его сохранение требует изобретения сложнейшего механизма отбрасывания?
Во-вторых, почему некоторые ящерицы умеют отбрасывать хвосты быстро и легко, а другие, в том числе близкие виды, либо разучились это делать вовсе, либо им для этого требуется существенно больше усилий и происходит это по статистике гораздо реже?
В-третьих, можно ли, говоря о таких видах, вообще употреблять слово «разучились»? Или же неспособность отбрасывать хвост, как кажется логичным, есть более древняя, исходная черта рептилий? А если так, то есть ли такие, которые действительно когда-то умели, а потом разучились избавляться от хвостов? И почему в какой-то момент эволюции таких рептилий баланс выгоды сместился к тому, чтобы потерять это экзотическое и сложное умение? И если для некоторых видов отсутствие этой способности действительно является результатом утраты, то может ли в ходе эволюции совершенно новый механизм отбрасывания возникнуть вновь? И насколько он будет похож на тот, что существовал исходно?
В-четвертых, как вообще ящерицам удается соблюдать баланс выгоды в вопросе сохранения хвоста? В конце концов, многие из них хранят в хвосте ценные жировые запасы, потеря которых кажется огромной растратой почти всегда (если только животному не грозит неизбежная гибель).
И если это большая потеря, то почему некоторые виды отбрасывают хвосты даже при легком прикосновении и испуге?
Наконец, главный вопрос касается механизма: как ящерицам удается сохранять механическую прочность хвоста почти всегда, кроме тех случаев, когда они сознательно намериваются его отбросить? Первые наивные теории, пытавшиеся объяснить такое поведение, были чисто механистическими и постулировали существование в хвосте неких «слабых мест», по которым идет разрыв при натяжении. Но одного их существования явно недостаточно, ведь надежно доказано, что мертвые и бессознательные ящерицы отбрасывать хвост не могут — это активный процесс, который требует мышечной активности.
Журнал Science, в котором вышла статья ученых, сделал о нем подробный ролик с деталями открытого механизма.
Science Magazine
Из всех этих сложных вопросов ученые из Нью-Йоркского университета и Университета Абу-Даби решили ответить на последний — вопрос о механической прочности хвоста в условиях, когда ящерица желает или не желает его отбросить. Характерно, что большая часть команды исследователей была даже не биологами, а инженерами и специалистами по наноматериалам — именно поэтому им удалось не только объяснить теоретически, но и на практике воспроизвести механизм отбрасывания на специально созданной модели из обычного полимера.
До настоящей работы состояние знаний в этой области было следующим. Прежде всего было известно, что при отрыве хвоста по «классическому» механизму разрыв действительно идет не в случайных местах, а по одной из специальных «слабых» плоскостей, делящих хвост на сегменты. После отрыва ящерица почти не теряет крови — для этого в ее хвостовой артерии есть соответствующий запиращий сфинктер, а в венах — клапаны, не пропускающие воздуха. После отрыва в хвосте обычно сохраняются восемь выступающих мышечных пучков, которым соответствует восемь отверстий в области ранки на теле ящерицы.
Вместе те и другие образуют подобие разъема-штепселя, на котором хвост держится в нормальной жизни. Прочность крепления до разрыва обеспечивают прежде всего мышечные волокна, ведь прочность позвонков в этих местах минимальна и разрыв (у большинства ящериц) идет по телу позвонка, а не между ними.
«Медуза» заблокирована в России. Мы были к этому готовы — и продолжаем работать. Несмотря ни на что
Нам нужна ваша помощь как никогда. Прямо сейчас. Дальше всем нам будет еще труднее. Мы независимое издание и работаем только в интересах читателей.
Также ранее было известно и то, что при отрыве мышечные филиаменты внутри хвоста сами по себе не разрушаются — разрыв происходит в месте их крепления к оболочке, составленной из соединительной ткани (мышечной фасции). Однако почему в одной ситуации эти филаменты хвост прочно удерживают, а в другой — легко от него отсоединяются, было не ясно. Объяснить это удалось с помощью изучения микрофотографий поверхностей, соединяющих мышцы, и последующего воспроизведением микроструктуры этих поверхностей в пластике.
Оказалось, что крепление хвостов у ящериц и гекконов устроено в инженерном смысле удивительно похоже на то, как их собственно тело крепится к вертикальным поверхностям и даже стеклу благодаря ворсинкам на лапах. Так, на поверхности мышечных волокон в хвосте ученые обнаружили сложные, собранные в пучки грибовидные структуры, которые контактируют с плоской поверхностью соединительнотканной оболочки мышцы. Грубо говоря, хвост крепится к ящерице так же, как ее лапы крепятся к поверхности стекла.
Важно, что «шляпки» грибовидных структур на мышечных клетках при этом покрыты мириадами нанопор, выполняющих роль крохотных присосок, работающих на капиллярной силе. Без них, как показали дальнейшие эксперименты в пластике, сила адгезии многократно снижается — то есть «наноприсоски» действительно нужны для сохранения прочности хвоста в обычной жизни.
Устройство «штепсельного соединения» хвоста с телом ящерицы базируется на восьми мышечных клинах-выступах, покрытых нитями с особой поверхностью.
Science Magazine
Как же тогда ящерице удается быстро уменьшить прочность соединения мышц в месте контакта, если необходимо срочно отбросить хвост? Ответ оказался тривиальным повторением механизма движения гекконов по стеклу, то есть сводился к изменению направления механического натяжения.
Известно, что когда геккон висит на стекле, ворсинки на поверхности его лап равномерно распределяют вес между собой; в результате ни в одной из них отрыва не происходит (очень подробно про это можно прочитать здесь). Когда геккон хочет сделать шаг, то не пытается оторвать лапу перпендикулярно к поверхности, а сгибает ее под углом. Усилие в таком случае направляется по крайним ворсинкам, возникает фронт отрыва и животное делает шаг. Работает это примерно так же, как и с обычной липкой лентой: ее можно отклеить, если тянешь с одного края, под углом к поверхности, но это практически невозможно, если усилие распределяется по всей наклеенной ленте равномерно.
Оказалось, что примерно тот же механизм работает у ящериц и гекконов в хвосте: когда хвост натягивается вдоль тела, все микроскопические мышечные волокна распределяют усилия между собой равномерно и отрыва не происходит.
Когда же ящерица хочет хвост отбросить, она его изгибает в сторону, внутри на поверхности мышечных волокон образуется фронт отрыва, и хвост легко отсоединяется от остального тела. Этот механизм, помимо прочего, легко объясняет тот необычный факт, что ящерица не способна отбросить хвост, если не может его согнуть. Например, если взять хвост слишком близко к области таза или, например, натянуть его слишком сильно.
Ученые уже планируют использовать полученные искусственные аналоги хвостов в роботехнике, где подобный механизм аутотомии — то есть самоампутации — мог бы пригодиться в случае крайней необходимости. До реального применения здесь, конечно, очень далеко, авторы только рассуждают о такой возможности. И даже в случае ящериц новая работа не позволяет ответить на все возникающие вопросы.
Например, на вопрос о том, насколько универсален этот механизм. На самом деле в ходе эволюции отбрасывание хвоста у рептилий действительно возникало как минимум дважды. Ящерицы, сначала потерявшие, а затем снова открывшие в себе эту способность, вполне существуют.
Они, судя по всему, отбрасывают хвосты несколько иначе, чем те, что исследовались в новой работе, — по крайней мере известно, что разрыв у них идет между позвонками, а не внутри них. Неясно, насколько отличается механизм их аутотомии и на микроуровне. Еще интереснее вопрос эволюционного баланса: как аутотомия в принципе появляется в ходе эволюции и почему иногда исчезает?
По крайней мере, понятно, что это свойство, хоть и экзотичное, возникало в истории жизни многократно и в разных группах животных. Известно, например, что частичную способность к аутотомии имеют даже млекопитающие: например, хлопковые хомяки Sigmodon hispidus научились пусть и не отбрасывать хвосты, но сбрасывать с них кожу, а африканские мыши рода Acomys в случае опасности могут пожертвовать кусочками своей шерсти, которая затем быстро восстанавливается.
Александр Ершов
Раскрыт секрет, как ящерица умудряется отбрасывать хвост в момент опасности
Комсомольская правда
НаукаНаука: Клуб любознательных
Людмила ШТЕПАНКОВА
7 марта 2022 7:00
Это умение вполне пригодится человеку
Способность животных сбрасывать органы или конечности называется аутотомией.
Фото: Shutterstock
Способность ящериц, попавшимся врагу отбрасывать хвост и, пользуясь замешательство противника, скрываться, хорошо известна и описана давно. Но вот сам механизм, как это происходит, был неизвестен до сих пор. Но теперь, судя по результатам исследования международной группы ученых инженеров из США и ОАЭ, вопрос можно считать закрытым. Специалисты сумели разгадать механизм, который позволяет ящерице «вилять» хвостом в обычные дни, и сбрасывать его в случае опасности.
«МОЁ ТЕЛО, ЧТО ХОЧУ, ТО И ДЕЛАЮ»
Такая способность животных сбрасывать органы или конечности называется аутотомией. Или, проще, самоампутацией.
Загнанные в угол, пауки жертвуют своими лапками, крабы клешнями.Да что там говорить! Некоторые морские слизни имеют вовсе нереальные способности к регенерации: они отбрасывают не хвост, а тело целиком, а затем отращивают новое на оставшейся голове. И пока туловище не отрастёт, голова так и живёт в гордом одиночестве – без сердца и других жизненно важных органов.
В общем, жизнь преподносит много разнообразных сюрпризов в виде аутотомии.
Однако ящерицы в этом ряду считаются самым известным и показательным примером.
Чтобы ускользнуть от хищников, они отбрасывают свои все еще шевелящиеся хвосты, что приводит преследователя в замешательство и даёт ящерке время ускользнуть.
ВСЕ ДЕЛО В НАНО-ПРИСОСКАХ
При этом нужно понимать, что ящерица рептилия не глупая, она осознает, что скидывает не просто конечность. Хвост для неё крайней важен – он необходим для маневрирования, накапливания жира, а ещё это отличный способ померяться с соперником. Однако в момент опасности рептилии хватает ума быстро сообразить, что лучше без хвоста, чем вообще никак.
Такое защитное поведение ящерицы понятно всем. Учёным в том числе. Чего им долгое время не было ясно, так это сам механизм, удерживающий или отстёгивающий хвост.
Йонг-Ак Трек, инженер-биомеханик из Нью-Йоркского колледжа Абу-Даби и его коллеги долгое время пытались разрешить этот парадокс.
В лаборатории они собрали рептилий трёх видов (две формы гекконов и пустынную бахромчатую ящерицу). И при помощи раздражителей провоцировали несчастных, побуждая их к аутотомии. Весь процесс был записан на высокоскоростную камеру со скоростью 3000 кадров в секунду.
Хвост для ящерицы крайней важен – он необходим для маневрирования, накапливания жира, а ещё это отличный способ померяться с соперником.Фото: Shutterstock
Затем ученые изучили извивающиеся хвосты под электронным микроскопом, что позволило детально разглядеть каждый разрыв в том месте, где ранее конечность крепилась к телу.
Как оказалось, хвост был заполнен грибовидными столбами, каждая шляпка которого была усеяна крошечными порами-присосками.
Когда хвост натягивался вдоль тела, присоски распределяли усилия между собой равномерно и отрыва не происходило. Когдаже ящерица хотела его отбросить, она изгибалась, и присоски отрывались от тела. Хвост легко отсоединялся.
По словам Анимангсу Гатака, инженера-химика из Индийского института экспертизы в Канпуре, понимание такой биомеханики хвостов теперь может быть использовано для крепления протезов, повязок и кожных трансплантатов.
А сами авторы открытия спешат всех заверить, что во время исследования ни одна ящерица не пострадала (если не считать временного лишения хвоста), сразу по окончании эксперимента все «добровольцы» были возвращены в привычную среду обитания.
Возрастная категория сайта 18+
Сетевое издание (сайт) зарегистрировано Роскомнадзором, свидетельство Эл № ФС77-80505 от 15 марта 2021 г.
ГЛАВНЫЙ РЕДАКТОР — НОСОВА ОЛЕСЯ ВЯЧЕСЛАВОВНА.
ШЕФ-РЕДАКТОР САЙТА — КАНСКИЙ ВИКТОР ФЕДОРОВИЧ.
АВТОР СОВРЕМЕННОЙ ВЕРСИИ ИЗДАНИЯ — СУНГОРКИН ВЛАДИМИР НИКОЛАЕВИЧ.
Сообщения и комментарии читателей сайта размещаются без предварительного редактирования. Редакция оставляет за собой право удалить их с сайта или отредактировать, если указанные сообщения и комментарии являются злоупотреблением свободой массовой информации или нарушением иных требований закона.
АО «ИД «Комсомольская правда». ИНН: 7714037217 ОГРН: 1027739295781
127015, Москва, Новодмитровская д.
Исключительные права на материалы, размещённые на интернет-сайте www.kp.ru, в соответствии с законодательством Российской Федерации об охране результатов интеллектуальной деятельности принадлежат АО «Издательский дом «Комсомольская правда», и не подлежат использованию другими лицами в какой бы то ни было форме без письменного разрешения правообладателя.
Приобретение авторских прав и связь с редакцией: [email protected]
Как хвост ящерицы обычно остается неповрежденным, но при необходимости обрывается
Графический реферат статьи. Предоставлено: Сидзи Уллери/Wise Monkeys Photography Группа исследователей, связанных с несколькими учреждениями в Объединенных Арабских Эмиратах и США, обнаружила механизм, который позволяет ящерицам удерживать хвост во время обычной деятельности, а затем выпускать его, когда им нужно избегать хищников. В своей статье, опубликованной в журнале Science группа описывает использование различных типов микроскопии для изучения анатомии хвоста ящерицы.
Многие виды ящериц способны сбрасывать хвост, спасаясь от хищника, и предыдущие исследования выявили сегментированную анатомию таких хвостов. Но до сих пор механизм быстрого освобождения, связанный с сбросом хвоста, не был хорошо понят. В этой новой работе исследователи очень внимательно изучили все части, участвующие в отбрасывании хвоста, а затем создали физические модели, чтобы имитировать, как работает этот процесс.
Работа началась с того, что ящериц дернули за хвосты достаточно сильно, чтобы ящерицы отпустили их. Затем они срезают разорванные края с хвостовых концов, чтобы исследовать их под микроскопом.
Авторы и права: Шиджи Уллери/Wise Monkeys Photography
Когда ящерица сбросила хвост, они обнаружили, что вилки выдернуты из розеток. Ящерица (Hemidactylus flaviviridis) после потери хвоста. Фото: Шиджи Уллери/Wise Monkeys Photography.Затем исследователи построили физическую модель хвоста, чтобы узнать больше о том, как все части хвоста работают вместе. Они обнаружили, что вилки и розетки обеспечивают прочное сцепление даже при нагрузке. Но когда ящерица определенным образом изогнула свой хвост, уплотнение между вилкой и розеткой было нарушено, и хвост отпал. Они предполагают, что их модель может оказаться полезной в других начинаниях, например, в создании конечностей роботов.
Дополнительная информация: Наваджит С. Бабан и др., Биомиметическая модель перелома аутотомии хвоста ящерицы, Science (2022). DOI: 10.1126/science.abh2614
Анимангсу Гатак, Как ящерица сбрасывает хвост?, Science (2022). DOI: 10.1126/science.abn4949
© 2022 Наука Х Сеть
Цитата :
Как хвост ящерицы обычно остается неповрежденным, но при необходимости обрывается (2022, 18 февраля)
получено 24 января 2023 г.
с https://phys.org/news/2022-02-lizard-tail-intact.html
Этот документ защищен авторским правом. Помимо любой добросовестной сделки с целью частного изучения или исследования, никакие часть может быть воспроизведена без письменного разрешения. Контент предоставляется только в ознакомительных целях.
Кровоточат ли ящерицы, когда им оторвут хвост?
Автор Jen Davisi Duncan Smith/Photodisc/Getty Images
Каудальная аутотомия — это официальное медицинское название того, что происходит, когда ящерица сбрасывает часть хвоста. Ящерицы опускают хвост в качестве защитного механизма, когда чувствуют угрозу со стороны хищника. Потеря хвоста предназначена для того, чтобы отвлечь и сбить с толку хищника, что, в свою очередь, позволяет ящерице избежать угрозы. Довольно много разных видов ящериц способны к каудальной аутотомии.
Сбрасывание хвоста
Ящерицы сбрасывают хвост только в крайнем случае. Фактическая потеря хвоста происходит в местах перелома плоскостей, которые естественным образом располагаются по всей длине хвоста.
У большинства ящериц есть переломные плоскости либо между позвонками, либо в середине позвонков. Когда ящерица опускает хвост, плоскость перелома разрывает соединение тела с кожей, мышцами, нервами, кровоснабжением и костью в хвосте. Хвост отваливается от тела ящерицы, а затем продолжает дергаться и извиваться сам по себе в течение нескольких минут.
Нормальное кровотечение
Небольшое кровотечение из хвоста, когда он отделяется от тела, является нормальным явлением. Внезапная потеря контакта между телом ящерицы и хвостом означает, что кровь все еще будет немного течь в течение минуты, и вы можете увидеть розовую обнаженную плоть и биологические жидкости сразу после того, как хвост будет отброшен. Это регулярно происходит в естественной среде, и ваша ящерица не должна страдать от каких-либо долгосрочных побочных эффектов в результате опускания хвоста.
Сильное кровотечение
Сильное кровотечение ненормально после того, как ваша ящерица потеряла хвост, и это может быть признаком того, что с вашей ящерицей что-то не так.
Если хвост был оторван из-за плохого обращения или хищника, вы можете увидеть сильное кровотечение, потому что тело ящерицы не было готово потерять хвост. Вы также можете встретить хвост, который не отделился должным образом или отделился лишь частично. Кровотечение, состоящее из нескольких видимых капель крови или небольшого выделения, требует немедленного ветеринарного вмешательства. Любой значительный кровоток необходимо остановить как можно быстрее и лечить у ветеринара.
После ухода
Ваша ящерица будет медленнее и менее сбалансированной сразу после потери хвоста и в течение периода времени, когда его хвост отрастает. Держите потенциальных хищников подальше от вашей ящерицы, пока она лечится. Держите его жилое помещение в чистоте, насколько это возможно, с минимальным присутствием грязи, мусора или фекалий. Обсудите послеоперационный уход за вашей ящерицей с ветеринаром, чтобы узнать, нужно ли вам использовать дезинфицирующее или антибактериальное средство на культе хвоста вашей ящерицы, пока она не заживет.