С 1900-х годов нейробиологи знали, что периферическая нервная система четвероногих (четвероногих животных) сильно различается, но то, как эти различия влияют на то, как животные ходят, бегают или двигаются, до конца не изучено. Теперь исследование, опубликованное в Журнале экспериментальной биологии 27 января, автором которого является профессор анатомии Нью-Йоркского технологического института, предполагает, что нервно-мышечная адаптация у млекопитающих и птиц, возможно, позволила им стать более проворными, чем рептилии и земноводные.
«Это исследование могло бы объяснить, почему у тигров походка гораздо более плавная, чем у крокодилов, которые неуклюже и волочат брюшко, и, возможно, одна из причин, по которой современные люди эволюционировали, чтобы ходить такими одинаковыми шагами», - говорит ведущий автор Майкл Гранатоски. Ф. Д., доцент кафедры анатомии Колледжа остеопатической медицины Нью-Йоркского технологического института (NYITCOM).
Tetrapods имеют небольшие рецепторы в мышцах, называемые сухожильными органами Гольджи, которые защищают мышцы от сил во время передвижения (ходьбы) и другой физической активности. Когда мышечное напряжение становится опасным, эти рецепторы сигнализируют нервной системе о необходимости выработки рефлексов, которые снимают напряжение и предотвращают травмы. Земноводные и рептилии, которые произошли от ранних четвероногих до млекопитающих и птиц, имеют сухожилия Гольджи произвольной формы, расположенные дальше от соединения мышц и сухожилий, что позволяет предположить, что они обнаруживают напряжение во всей мышце. Напротив, у птиц и млекопитающих инкапсулированные сухожильные органы Гольджи расположены непосредственно в месте соединения мышц и сухожилий, что означает способность обнаруживать напряжение в определенных областях мышц, что позволяет более контролируемо движение. Теперь исследователи утверждают, что птицы и млекопитающие обязаны своим ловким шагом этим точно настроенным рецепторам.
«Эти структурные вариации хорошо известны, но никто не задавался вопросом, что они на самом деле означают для животных», - говорит Гранатоски.«Мы изучили самую большую на сегодняшний день коллекцию данных о зоологических локомотивах, охватывающую 30 лет и 55 видов, и обнаружили, что эти вариации напрямую влияют на то, как животные реагируют на силы, действующие на их конечности».
Продолжая работу своего постдокторского наставника Каллума Росса, доктора философии, профессора биологии и анатомии организмов в Чикагском университете, Гранатоски проанализировал обширные наборы данных из зоопарков и исследовательских центров в США, Канаде., и Германии. Чтобы изучить распределение веса тела в движении, шаги животных измеряли с помощью трехмерной шкалы, называемой силовой пластиной. Было обнаружено, что шаги рептилий и амфибий сильно различаются с каждым шагом, но млекопитающие и птицы пересекали силовую пластину с очень постоянными шагами. Полученные данные свидетельствуют о том, что во время движения предсказуемая реакция на силу обеспечивает селективное преимущество, которое может экономить энергию и позволяет птицам и млекопитающим быстро восстанавливать равновесие после падения. Гранатоски также считает, что менее чувствительная нервная система рептилий и амфибий могла вызвать потребность в защите, которая заставила животных приспособиться к более сильным костям.
Кости рептилий и земноводных могут выдерживать силы, в десять раз превышающие их вес, тогда как кости птиц и млекопитающих могут выдерживать силы только в два с половиной раза превышающие их вес. Возможно, птицы и млекопитающие адаптировались к более легким и энергоэффективным костных структур в ответ на то, что больше не нужны тяжелые защитные каркасы, требующие большого количества энергии», - говорит он.
Чтобы проверить свою теорию, Гранатоски изучит, играли ли сухожильные органы Гольджи эволюционную роль в адаптации плотности костей и расходе энергии. Он также сотрудничает со студентами Нью-Йоркского технологического института, изучающими инженерию, архитектуру и цифровое искусство, над созданием роботов, которые точно имитируют передвижение животных. Первый робот будет имитировать походку голубоязычного сцинка, австралийской ящерицы, обычно используемой в качестве модели для раннего передвижения четвероногих.