Походка слонов и людей

В чем сходство между слоном и человеком? Оказывается, они оба хорошо ходят и своеобразно бегают.

Диалектика слоновьей походки

Слоны — хорошие ходоки, легко преодолевающие десятки километров. Обычно они движутся со скоростью 2—6 км/ч, но при необходимости разгоняются до 16, а на спринтерской дистанции — до 35—40 км/ч. И все бы ничего, но даже при такой скорости слоны не бегают, а ходят. Бег включает фазу полета, в которой животное не опирается на лапы, а у слонов по крайней мере одна нога всегда касается земли.

Неудивительно, что особенности слоновьей походки привлекают внимание ученых. Несколько лет назад к ее исследованию приступил Джон Хатчинсон, американский биолог, работающий в Королевском ветеринарном колледже (Великобритания). Вместе с американскими и немецкими коллегами он снимал на видеокамеру движения слонов, а затем анализировал их кадр за кадром. Чтобы удобнее было наблюдать за движением их плеч и бедер, на каждого слона нанесли метки. Начали исследователи с африканских слонов в американских зоопарках, но эти гиганты не желали двигаться быстрее 4 м/с (14,4 км/ч). Тогда ученые переключились на более легких азиатских слонов, которые разгоняются до 25 км/ч, и в результате засняли движения 42 животных обоих видов весом от 600 до 3000 кг.

Разогнавшийся слон Хатчинсона

Действительно, с какой бы скоростью слоны ни перемещались, они, в отличие от других животных, никогда полностью не отрываются от земли и не меняют порядок перестановки ног: с землей соприкасаются последовательно левая задняя, левая передняя, правая задняя и правая передняя. Однако передвижение слона при большой скорости все-таки нельзя назвать ходьбой.

Движение описывают несколько количественных показателей, один из которых — число Фруда. Его вычисляют по формуле Fr=u2/gh, где u — скорость животного, а h — высота его бедра. При ходьбе число Фруда обычно равно 0,2—0,3, а при беге приближается к единице. Так вот, у разогнавшихся слонов оно близко к единице. Более того, их задние ноги подскакивают, а подскакивание — непременный атрибут бега. Доподлинно известно, что слоны в целом не скачут, но их задние ноги, оказывается, к этому способны, и при этом они одновременно отрываются от земли. Чем не бег!

Передние ноги слона тоже одномоментно оказываются в воздухе, правда, без подскоков, однако задние и передние конечности никогда не отрываются от земли все вместе. Основная нагрузка у слона приходится на передние ноги, поэтому задними слон начинает «бежать» на меньших скоростях, а передними — на больших. Половинками бежит, а целиком ходит.

Описав это удивительный аллюр, Хатчинсон отметил, что нужны, конечно, более подробные исследования, которые позволили бы измерить силы, действующие на слона при ходьбе. За эту работу взялся Норманн Хегланд, профессор лаборатории физиологии и биомеханики Католического университета Левена (Бельгия). Результат у него получился иной, нежели у Хатчинсона, но тоже удивительный.

Перемещение центра масс слона при разных скоростях. Внизу показано, какими ногами слон опирается о землю.

Профессор Хегланд с сотрудниками сконструировал и откалибровал специальную платформу-силомер, состоящую из 16 чувствительных пластин метр на метр каждая. Эта платформа позволяла измерять силы, которые действуют на слонов во время ходьбы, и регистрировать движение их центра масс (ЦМ) вверх, вперед и назад, а также рассчитать работу, необходимую для перемещения ЦМ во время каждого шага. Затем ученые вместе с платформой, компьютером и высокоскоростной видеокамерой отравились в Таиланд, в Центр сохранения слонов, и протестировали там 34 азиатских слона — от детеныша весом 870 кг до четырехтонного взрослого животного. (С африканскими даже связываться не стали.) Слоны проходили по платформе с погонщиком на спине — он был нужен, чтобы животное двигалось в нужном направлении и с определенной скоростью. Каждого слона прогнали через платформу на шести скоростях, от 0,38 до 4,97 м/с, то есть от 1,37 до 17,9 км/ч. Вес погонщика составляет всего 1—5% от веса животного, поэтому исследователи решили, что его присутствие не повлияет на результат эксперимента. Они особо оговорили, что слонов направляли и ускоряли с помощью команд или разных приманок, а больно им не делали.

Хегланд выяснил, что слоны, когда разгоняются, быстрее перебирают ногами и увеличивают длину шагов. При скорости 4,97 м/с, что соответствует медленной рыси, двухтонные звери делают до трех шагов в секунду — больше, чем можно ожидать от животных такого веса. Чем чаще шагает слон, тем меньше у него точек опоры. Среднее количество ног на земле за время одного шага, то есть время между двумя постановками на землю правой передней ноги, сокращается с 3,2 при скорости 0,62 м/с до 1,6 при 4,72 м/с.

Кроме фазы полета и числа Фруда есть еще один признак бега — показатель того, какую долю шага нога касается земли. У слонов при быстрой ходьбе этот показатель меньше 0,5, что соответствует бегу, однако от земли они не отрываются.

Обычно при ходьбе ЦМ животного раскачивается подобно маятнику, а при беге только подпрыгивает, как мячик. У большинства видов существует определенная скорость, при которой животное переключается с ходьбы на бег, с маятникового типа движения ЦМ на пружинное подскакивание. Но у слона центр масс не прыгает, только качается. Так бегут они или нет?

Оказалось, что с увеличением скорости до 2,8 м/с некоторые беговые изменения в движении ЦМ все-таки происходят, но, чтобы их заметить, исследователям пришлось анализировать ходьбу передними и задними ногами отдельно.

Когда слон наступает на заднюю ногу, его ЦМ чуть-чуть поднимается, а при ослаблении нагрузки возвращается в исходное положение. Такое движение больше похоже на колебания маятника и типично для ходьбы. Но при опоре на переднюю конечность все наоборот: ЦМ опускается по мере возрастания силы и поднимается при убывании, как в распрямляющейся пружине, что характерно для бега. И получается, что при скорости выше 2,8 м/с слон передними ногами рысит, а задними идет.

Эта полурысь очень выгодна с энергетической точки зрения. Чтобы переместить килограмм своего тела на один метр, слоны тратят всего 0,2 Дж — в три раза меньше, чем другие животные. Такой эффективности они добились, во-первых, благодаря своей устойчивости. Даже при самой высокой скорости слоны не отрываются от земли и опираются на нее в среднем двумя ногами. Во-вторых, частота шагов у них, как мы помним, очень высока. Сочетание этих факторов привело к тому, что слон, можно сказать, стелется по земле. Его ЦМ почти не скачет, перемещаясь по вертикали всего на 3 см, а когда слон разгоняется — на 1 см (примерно как у рысящей собаки средних размеров). Поэтому мчащемуся слону не приходится тратить много энергии на выталкивание своей туши вверх. Кроме того, слон, в отличие от других животных, даже перейдя на рысь, не прекращает идти. Это значит, что в движении его ЦМ всегда присутствует маятниковая составляющая, а колебательное движение маятника позволяет существенно сократить мышечную работу по перемещению тела.

Джон Хатчинсон постарался найти в своих исследованиях практический смысл: он полагает, что обнаруженные закономерности позволят заинтересованным людям вовремя заметить неполадки в опорно-двигательной системе слона. Норманн Хегланд написал чисто теоретическую статью. Не исключено, что исследования в этой области будут продолжены. А пока хватит нам дивиться на идущего слона, потому что мы и сами исключительные ходоки и бегуны.

С пятки на носок

Человек, оказывается, прекрасно приспособлен для бега на длинные дистанции. Во всяком случае, среди приматов он вне конкуренции. Конечно, многие млекопитающие бегают быстрее, но не все могут бежать долго, особенно в жару. А у человека, потеющего и лишенного шерсти, выносливости хватает. Благоприятствуют долгому бегу короткие пальцы, длинное ахиллово сухожилие и упругие мышцы голени. Однако все эти приспособления совершенно не вяжутся со строением человеческой стопы, при котором пятка касается земли. Большинство видов животных, включая самых быстрых бегунов, перемещаются на пальцах или копытах, при этом пятка у них приподнята. (Такая позиция позволяет делать более длинные шаги, что энергетически выгодно при движении. А человеческая манера бега с пятки на носок поглощает энергию при старте и создает дополнительную нагрузку на кости и суставы, так что совершенно непонятно, почему стопохождение закрепилось в ходе эволюции. 

Впрочем, некоторые исследователи уверены, что стопохождение само по себе не мешает хорошо бегать. Так, американский ученый Дэниел Либерман полагает, что бег с пятки — новация, возникшая в 70-х годах прошлого века, когда появилась специальная обувь для бега с амортизаторами. А до того люди сотни тысяч лет бегали босиком или в легкой обуви типа сандалий или мокасин. При этом они касались земли носком, а не пяткой и не страдали от толчков. И в наше время люди, бегущие босиком на большие дистанции, обычно наступают на землю именно носком и бегут на пальцах, хотя иногда и касаются земли серединой стопы. Подошва и лодыжка более податливы, когда с поверхностью соприкасается босая, а не зашнурованная в кроссовку нога, поэтому ступни босых бегунов ударяются о землю с меньшей силой, чем обутые ноги «пяточников». Так что возникшее в ходе эволюции строение человеческой стопы отнюдь не затрудняет бег, если правильно ставить ноги.

Бег с пятки менее эффективен, чем бег на пальцах

Но раз уж мы упомянули эволюцию, то зачем человеку вообще касаться пятками земли? Возможно, мы просто унаследовали такое строение стопы от обезьяноподобных предков. Безусловно, двуногий человек на полной стопе чувствует себя гораздо увереннее, чем на пальцах. Но может быть, стопохождение дает нам еще какие-то преимущества?

В этом вопросе стали разбираться специалисты Йенского университета (Германия) и университета Юты (США) под общим руководством профессора Дэвида Кэрриера. Ученые попросили 11 здоровых добровольцев походить тремя способами: с пятки на носок; на носках с приподнятой примерно на сантиметр пяткой, и на пальцах, когда пятка поднята так высоко, как только можно. Потом испытуемые бегали, наступая на пятку или не касаясь ею беговой дорожки; на пальцах их гонять не стали во избежание травм. Так они ходили или бегали в течение четырех минут, а на пятой минуте исследователи замеряли потребление кислорода при каждом типе движения.

Оказалось, что, когда человек идет по беговой дорожке со слегка поднятой пяткой, среднее потребление кислорода на километр возрастает примерно на 53% по сравнению с обычной поступью, а на «высоких цыпочках» оно увеличивается аж на 83%. Однако во время бега существенной разницы в потреблении кислорода ученые не заметили. Следовательно, опущенная пятка действительно позволяет нам сэкономить энергию при ходьбе, но не при беге.

Походка с пятки на носок (а) и с приподнятой пяткой (б)

Можно возразить, что эксперимент поставлен не вполне корректно, поскольку в обычной жизни люди на носочках не ходят. Но ученые отвечают, что ходят. У детей до семи лет такая походка не редкость и считается нормальной. Да и взрослые спокойно становятся на цыпочки, когда хотят пройти потише. Что касается бега, то лучшие спринтеры, стайеры и марафонцы бегут, не касаясь земли пятками даже в современной обуви. Так что, по мнению исследователей, речь идет о сравнении двух типов ходьбы, в равной степени естественных для человека.

Откуда же берется экономия? Вероятно, из нескольких источников. Один из них — дополнительная мышечная активность. Когда человек приподнимается на цыпочки, возрастает нагрузка на 11 мускулов спины, бедра, колена и голени. Но оказалось, что эта нагрузка незначительно влияет на потребление кислорода. Приподнятая пятка требует и дополнительной работы мышц, отвечающих за поддержание позы, поскольку в таком положении двуногим сложнее удерживать равновесие. Исследователи сравнили потребление кислорода у людей, стоявших на цыпочках с опорой и без опоры. Неустойчивость увеличивает потребление кислорода в среднем на 8,8%, что никак не объясняет разницу в 53%. (Отсутствие опоры заметно сказывается на потреблении кислорода в позиции «высокие цыпочки» — оно возрастает на 76%. В этом случае высокую энергетическую цену хождения на высоких цыпочках действительно можно объяснить низкой устойчивостью.) При ходьбе на носках частота шагов возрастает на 7,6%, но и это обстоятельство не влияет на потребление кислорода.

В разной обуви по-разному бежится

Исследователи называют две основные причины, позволяющие сэкономить при ходьбе с пятки на носок. Наступая на землю пяткой, мы теряем в целом меньше энергии, чем при ходьбе с носка. Кроме того, часть мышечной энергии при движении, как мы помним, компенсирует маятниковое колебание центра масс. При стопохождении оно позволяет сэкономить больше, чем при ходьбе на пальцах.

Хотя эти исследования выполнены на людях, их результат можно распространить на ходьбу и бег других двуногих, например наземных птиц, а также на все виды млекопитающих со стопохождением. Взять того же слона. Вообще-то пятка у него приподнята, но заметить это можно, только рассматривая скелет, потому что слоновьи ноги — это колонны. Однако, как хорошо видно на фотографии, при своей исключительно быстрой и экономичной ходьбе слон наступает сначала не на пальцы, а на заднюю часть стопы. Приглядевшись, можно заметить, что бегущий рядом с ним босой погонщик ступает с носка.

Ходьба вообще более экономична, чем бег. Млекопитающие, сопоставимые по массе с человеком, при беге потребляют кислорода на 16% больше, чем при ходьбе. У человека эта разница в несколько раз больше и достигает 61%, но лишь в том случае, если человек ступает с пятки. Так что наша способность к ходьбе может быть результатом стопохождения.

Строение стопы собаки, гиббона и гориллы. Пяточные кости выделены темным цветом.

Строение стопы с опущенной пяткой возникло у древесных обезьян задолго до появления наземных двуногих. Вид Homo отпочковался от австралопитеков около 2,5 млн. лет назад, и 99% этого времени люди жили охотой и собирательством, искали повсюду животных и съедобные растения, а это связано с необходимостью ежедневно проходить большие расстояния. В современных племенах, ведущих первобытный образ жизни, женщины проходят в среднем 9,5 км, а мужчины — 14,1 км в день. Неудивительно, что человек — экономичный ходок и что мы сохранили строение стопы, унаследованное от наших древесных предков, ведь оно облегчает нам ходьбу.

Но почему такая стопа сформировалась у обезьян? Вряд ли для облегчения ходьбы. Большие обезьяны плохо ходят без опоры, хотя шимпанзе и «наматывает» за день от 3 до 10 км. (Горилла — не больше километра.) Анатомически они более приспособлены к лазанью по деревьям и веткам, а их стопа — практически задняя ладонь.

Хотя Кэрриер и его сотрудники доказали, что стопохождение значительно повышает экономическую эффективность ходьбы у человека, это не означает, что люди приспособлены к ходьбе более, чем к бегу. Они и бегуны прекрасные: голые, потеющие и с упругими мышцами. Надо только ставить ноги сообразно обстоятельствам: при ходьбе не оттягивать носок и не стучать на бегу пятками.

По материалам «Journal of experimental biology» (2006, 2010).