Биологи объяснили способность ящериц быстро бегать по воде
Крошечные гекконы способны обгонять даже уток и некоторых аллигаторов благодаря скоординированному использованию четырех приемов бега по воде.
«Они могут взбежать по стене на скорости метр в секунду, они способны парить, развернуть себя в воздухе резким движением хвоста и на полной скорости приземлиться на нижней стороне листа. Еще они и по воде бегают, — говорит профессор Калифорнийского университета в Беркли Роберт Фалл (Robert Full). — Этого не может никто; гекконы — супергерои».
Фалл исследует этих небольших, но весьма необычных ящериц уже много лет, и недавно в журнале Current Biology появилась очередная статья его команды, в которой ученые раскрывают механизм, позволяющий гекконам бегать по поверхности воды. Возможно, эта находка когда-нибудь найдет применение при создании легких и стремительных роботов, как и уникальные микроструктуры на лапках гекконов пригодятся для очистки орбиты от космического мусора.
В природе южноазиатский плоскохвостый геккон Hemidactylus platyurus способен перебегать водные преграды, спасаясь от преследования на скорости до метра в секунду — быстрее, чем могут разогнаться многие даже более крупные водоплавающие животные, не говоря уж о мелких вроде насекомых. Большие животные удерживаются на воде за счет сильных движений хвоста и конечностей: так, даже дельфины некоторое время могут «плясать» на хвосте над водой. И наоборот, легкие пауки и насекомые держатся «сами по себе», за счет поверхностного натяжения.
Расчеты, проведенные командой Роберта Фалла, показали, что шестиграммовые гекконы находятся ровно посередине между теми и другими. Эти ящерицы уже слишком тяжелы для того, чтобы держаться поверхностным натяжением, но и слишком легковесны для нужных мощных движений. Для того чтобы разобраться в их беге по воде, пришлось поставить лабораторные эксперименты.
Заставляя плоскохвостых гекконов бегать по воде аквариума, ученые фиксировали их движения с помощью высокоскоростной видеокамеры, а затем анализировали записи и тестировали различные модели. Обнаружилось, что они остаются на поверхности и даже мчатся по ней на большой скорости благодаря действию четырех сил.
Во-первых, это то же поверхностное натяжение, которое до определенной степени поддерживает ящерицу. Во-вторых, дополнительную силу дают движения лап, благодаря которым плавают крупные животные. Уходя в воду на короткое время, они загребают пузырьки воздуха, усиливающие плавучесть.
Кроме того, гекконы пользуются преимуществами своей гладкой, гидрофобной кожи, которая при быстром перемещении по воде позволяет глиссировать, скользя по глади, как скоростной катер. Эта скорость обеспечивается четвертым инструментом — боковыми движениями хвоста, который создает направленную вперед «тягу» и стабилизируют тело. Роберт Фалл добавляет, что все эти характеристики, так или иначе, встречаются в животном мире, но гекконы уникальны тем, что сочетают их все.
Бегущие по воде
На фото — шлемоносный, или обыкновенный василиск (Basiliscus basiliscus). Эта изящная ящерица, похожая на конькобежца, скользит по воде, отталкиваясь задними лапами и высоко подняв полосатый хвост.
Если бы вместо ящерицы по воде бежал человек, мы бы решили, что это искусная подделка (каковой, к примеру, и оказалось знаменитое видео с бегущим по воде спортсменом). Но в данном случае всё честно. В том, что некоторые животные способны непродолжительное время передвигаться по поверхности воды, ученые уже давно не сомневаются. Другое дело — как это им удается?
Казалось бы, что тут такого? Среди беспозвоночных есть такие существа, которые не просто бегут, но и вполне себе стоят на поверхности воды, даже не думая тонуть. Речь, конечно, идет о водомерках — многочисленном семействе насекомых (всего их насчитывается несколько сотен видов!), которых нередко можно увидеть на поверхности пруда или даже крупной лужи. Легко отталкиваясь ногами, изящный клоп (а водомерки относятся именно к этому подотряду) может развивать скорость до полутора метров в секунду, ни разу не замочив брюшко. В чем же секрет? А в том, что вес взрослой водомерки — всего около 5–10 миллиграммов, то есть в десять раз меньше веса обычной швейной иголки! Неудивительно, что такая крошка может без проблем использовать силу поверхностного натяжения воды, чтобы не тонуть, а покрытые несмачиваемыми волосками лапки позволяют отталкиваться от поверхности воды и скользить по ней, как на коньках по льду.
Несмотря на свой безобидный внешний вид, водомерка — далеко не вегетарианка: на этот раз ей повезло наткнуться на утонувшую зеленую цикадку. Фото с сайта naturephoto.ru, Московская область, 2 августа 2017 года
Когда же речь заходит о животных покрупнее, то тут уже одним поверхностным натяжением не обойдешься: шлемоносный василиск весит не меньше ста граммов, то есть он в десять тысяч раз тяжелее водомерки! В чем же секрет? Ответ простой: в скорости. Дело в том, что василиск, если его потревожить, поднимается на задние лапы и, словно крошечный динозаврик, несется дальше, развивая скорость до 1,6 м/с! Вдобавок к этому, пальцы на его задних лапах довольно длинные: в воде они функционируют как короткие ласты, так что ящерица, по сути, передвигается по воде серией коротких мощных гребков, быстро-быстро отталкиваясь от поверхности и не давая себе утонуть.
Замедленная съемка бега василиска по воде
Значительную роль при таком способе перемещения играют вес, частота движений лап и великолепное чувство равновесия: при таких гребках василиска довольно сильно раскачивает из стороны в сторону, и требуется немалая ловкость, чтобы не завалиться на бок и не упасть! Шлепая и ударяя лапами по воде, ящерица создает импульс, который обеспечивает толчок вперед и подъемную силу, причем она тем выше, чем меньше вес, поэтому молодые ящерицы (при рождении они весят всего 2 грамма) совершают более длинные забеги, чем взрослые. Вдобавок, во время каждого шага своими длинными пальцами задних лап ящерица захватывает небольшой пузырек воздуха, который позволяет минимизировать контакт с водой: василиск убирает ногу прежде, чем пузырек схлопывается.
Молодые василиски спасаются от хищников, совершая забеги по поверхности воды. По мере взросления дистанция, которую ящерица может преодолеть таким образом, сокращается
Все четыре вида василисков, обитающих в Центральной и Южной Америке, освоили в совершенстве этот фокус, а шлемоносный василиск даже заслужил за эти трюки прозвище «ящерицы Иисуса Христа».
Бегущий по воде мексиканский полосатый василиск (Basiliscus vittatus). Фото © Stephen Dalton с сайта dailymail.co.uk
Впрочем, не только василиски умеют передвигаться таким образом: другие полуводные ящерицы тоже не прочь сбежать от опасности, бодро шлепая лапами по воде. Например, некоторые виды американских анолисов (Anolis), такие как Anolis oxylophus, не только выучились дышать под водой безо всяких жабр (см. картинку дня Ящерица-«аквалангист»), но и умеют бегать по поверхности водоемов. Ящерицы с задатками чудотворцев водятся и по другую сторону Тихого океана, в Юго-Восточной Азии — это парусные ящерицы (род Hydrosaurus, кстати, и переводится как «водяная ящерица»).
Молодая особь филиппинской парусной ящерицы (Hydrosaurus pustulatus) несется по поверхности водоема. Фотография © Stephen Dalton с сайта reddit.com
Стоит отметить, что все три рода этих ящериц, развивших такую похожую адаптацию, на самом деле не связаны прямыми узами: они принадлежат к одному подотряду игуанообразных, но относятся к разным семействам (василиски — к шлемовым ящерицам, анолисы — к анолисовым, а парусные ящерицы — к агамовым), так что друг другу они не больше родственники, чем медведи, куницы и волки.
Ну а что же более крупные животные — могут ли они бегать по воде? И да, и нет. Дело в том, что по мере увеличения веса требуемая скорость для такого передвижения возрастает: к примеру, было подсчитано, что человеку весом 85 кг для такого трюка пришлось бы бежать со скоростью 104 км/ч! Учитывая, что рекордная скорость бега олимпийского чемпиона Усэйна Болта составляет чуть более 44 км/ч (при весе чемпиона в 94 килограмма!), физических параметров человеческого тела явно недостаточно для такого фокуса. Но, с другой стороны, есть и еще одна группа существ, которая по воде передвигается на двух ногах: птицы.
Немалое число видов пернатых, особенно крупных полуводных, при взлете или посадке на воду некоторое время бегут по поверхности, отталкиваясь своими перепончатыми лапами. Нужной скорости они достигают с помощью крыльев, так что слишком резво перебирать при этом ногами не приходится. Но некоторые птицы умудряются бегать по воде, не поднимаясь в воздух. Среди них и два американских вида поганок: западноамериканская поганка (Aechmophorus occidentalis) и поганка Кларка (Aechmophorus clarkii), которые во время своего брачного танца пробегают по поверхности воды до 20 метров, совершая около 20 шагов в секунду — больше, чем любая другая птица!
Брачный ритуал западноамериканских поганок. С 54 секунды они начинают бежать по воде
Кроме того, удерживать вес (а поганки весят от 700 до 1800 г) на воде поганкам помогает форма ступней в виде лопасти (такая форма увеличивает силу удара о воду), а сплющенные кости стопы позволяют отводить ногу от воды сбоку, что уменьшает сопротивление.
Западноамериканские поганки даже сделали «бег по воде» частью своего брачного ритуала. Фото © Bill Chen с сайта allaboutbirds.org, Калифорния, США, 22 ноября 2018 года
Что же касается млекопитающих, то среди них бегунов по воде практически нет, если не считать некоторые виды дельфинов, которые могут «ходить» на хвостах: с силой работая хвостом, они поднимаются вертикально из воды и некоторое время удерживаются в таком положении, прежде чем сила гравитации повлечет их вниз. Такое поведение наблюдается и у диких дельфинов, и у содержащихся в дельфинариях, при этом ручные дельфины могут научить забавному трюку своих диких сородичей, что было продемонстрировано на примере индийских афалин (Tursiops aduncus) в Южной Австралии в 1980-е годы. После того как дикая самка афалины прошла реабилитацию в дельфинарии (после попадания в ловушку в гавани), где ее содержали вместе с ручными дельфинами, она начала демонстрировать «хождение на хвосте» спустя семь лет после возвращения в дикую природу. После смерти этой самки по кличке Билли другая самка по кличке Волна начала «ходить на хвосте», а за ней и еще несколько афалин из стаи научились этому трюку.
Самка афалины по кличке Волна ходит на хвосте назад. Фото из статьи M. Bossley et al., 2018. Tail walking in a bottlenose dolphin community: the rise and fall of an arbitrary cultural «fad’
Подобная передача посредством социального обучения каких-то адаптивных навыков среди животных — не редкость (см. Культура у животных — не редкий курьез, а вездесущее явление, «Элементы», 13.04.2021), в отличие от случая, когда сородичи начали подражать поведению, не приносящему очевидной пользы, кроме, разве что, удовольствия.
Анна Новиковская
Tarson alt=»|» />14.01.2022 alt=»|» />11:55 Ответить
Аннаэйра 
Tarson 
14.01.2022 16:28 Ответить
nal alt=»|» />14.01.2022 alt=»|» />15:47 Ответить
Аннаэйра nal 14.01.2022 16:27 Ответить
nal Аннаэйра 14.01.2022 17:10 Ответить
UPD
Вернее мезенозаврид Cabarzia. Eudibamus же из парарептилий.
Николай Ц alt=»|» />14.01.2022 alt=»|» />16:41 Ответить
Анна, отличная статья, спасибо! Позвольте только две поправки.
"Шлепая и ударяя лапами по воде, ящерица создает импульс, который обеспечивает толчок вперед и подъемную силу, причем она тем выше, чем меньше вес, "
Подъёмная сила, на которую вы дали ссылку, не имеет отношения к шлепку ступни василиска. Потому что по ссылке рассмотрено обтекание аэродинамического профиля, и этот совершенно другой процесс и расклад. На профиле подъёмная сила возникает поперёк вектора скорости, за счёт работы правила Бернулли со снижением давления на выпуклой обтекаемой поверхности. Возникающий перепад давления снизу и сверху профиля даёт подъёмную силу.
При шлепке ступни василиска всего этого нет. Картина принципиально другая. Ступня погружается в воду перпендикулярно, создавая силу лобового сопротивления (погружаюшейся ступни) из-за вязкости воды. Сила лобового сопротивления — вот что давит на ступню василиска и держит его на поверхности воды. Не подъёмная сила из ссылки.
И второе — эта сила не тем выше, чем больше вес. Она от веса никак не зависит. В гидродинамике все силы зависят только от геометрии тела, скорости, плотности и вязкости среды. Для погружаюшейся ноги василиска сила будет зависеть только от размера ступни и скорости её перпендикулярного удара об воду. Сколько при этом будет весить василиск — никак не повлияет на гидродинамическую силу, создаваемую ступней. И пятиграммовый, и стограмиовый, и килограммовый василиск (с вольфрамовым утяжелением, например:)) при одной и той же ноге и скорости её удара по воде создадут одинаковую силу сопротивления воды. Давящую снизу вверх на ступню василиска. Какой вес нарос над ступней — для этой силы совершенно не важно: она будет одна и та же.
pale Николай Ц 14.01.2022 18:42 Ответить
Николай Ц alt=»|» />14.01.2022 alt=»|» />16:53 Ответить
И ещё.) Недавно вы предлагали написать статью про мамонтов. Вот позавчерашняя публикация, общего обзорного плана, если вам интересно. Снимки зубов в статье — собственный материал. Честно подставляю работу под вашу критику, за которую буду признателен.)
"Эволюционная баллистика мамонтов: от хоботных до загадки голоценового финала"
https://naked-science.ru/article/paleontology/evolyutsionnay a-ballistika-mamontov-ot-hobotnyh-do-zagadki
Здесь в "Картинках" предложил написать про зуб мамонта как таковой, строение, онтогенез, и пр. Жду согласия редакторов; если одобрят — напишу, снимки будут свои)
Прошу у всех прощения, что не по теме этой картинки)
dark alt=»|» />14.01.2022 alt=»|» />21:29 Ответить
Akito alt=»|» />15.01.2022 alt=»|» />15:49 Ответить
pale Akito 15.01.2022 22:32 Ответить
Шлемоносный василиск: ящерица, которая умеет бегать по воде
Шлемоносный василиск имеет очень яркую внешность: его голову украшает большой гребень в форме паруса. Сама ящерица напоминает миниатюрного динозавра. Такой питомец может стать достойным украшением любого террариума, однако для его комфортного содержания важно учитывать множество нюансов.
Ареал, места и условия обитания
Рептилия предпочитает влажные, на хорошо прогреваемые солнцем участки. Комфортная температура для василиска составляет +25-30 градусов, а относительная влажность не ниже 60%.
Рептилии живут в глухих камышах, густой траве или на деревьях. Василиски очень ловко и быстро перебираются с ветки на ветку, а при возникновении опасности бесстрашно прыгают в воду. Скрываясь от хищников, ящерица может бежать по поверхности воды на расстояние до 400 метров. Скорость василиска может достигать 12 км/ч. Также они неплохо плавают и умеют задерживать дыхание под водой до получаса.
Василиски – территориальные рептилии. Площадь домашней территории может составлять 500-1000 квадратных метров. На этой площади проживает только один самец и гарем из самок. Самки могут беспрепятственное переходить из одной зоны в другую. Однако если на домашней территории окажется чужой самец, между ним и хозяином гарема завяжется жестокая схватка. Победителю достанется не только новый дом, но и возможность спариваться со всеми самками.
Период спаривания у Шлемоносных василисков наступает в сезон дождей, когда влажность воздуха превышает 80%, а температура окружающей среды понижается до комфортного состояния. Беременная самка спускается с деревьев на землю и начинает искать место для гнезда. Происходит это на третьей неделе беременности.
Как только подходящее место будет обнаружено, будущая мать роет ямку и откладывает в нее до 17 яиц. После этого самка закапывает их песком и на этом ее роль в жизни будущего потомства заканчивается.
В возрасте 5 месяцев между молодыми самцами уже возникает конкуренция за территорию. При встрече они могут устраивать жестокие схватки. Половая зрелость у самок наступает в 1,5-2 года, а у самцов в 1-1,5 года. Тем не менее, право на спаривание молодой самец получает не раньше 3-4 лет, когда наберется достаточно сил, чтобы противостоять другим самцам в боях за территорию и самок.
Василиск: ящерица, которая ходит по воде
Ящерицу-василиска нельзя перепутать ни с кем из-за ее способности смешно передвигаться и бегать по воде. Василиском (греч. «маленький король») ее называют из-за схожести с чудовищем, имеющим сходство с петухом, змеей и львом, которое может превратить человека в камень взглядом (греческая мифология).
Эти ящерки могут бежать по воде на задних конечностях от 1,5 до 4,5 метров, прежде чем осесть на четвереньки для плаванья. Из-за того как бегает по воде василиск (фото изображает этот процесс), рептилию называют «Иисус Христос».
Место обитания
Василисков очень много в тропических лесах Центральной Америки. Места их обитания простираются от южной Мексики до Панамы. Пресмыкающиеся проводят большую часть своего времени на деревьях недалеко от воды. Когда ящерицам угрожает опасность, они в прыжке падают в воду (в вертикальном положении).
Описание
К семейству игуановых относится василиск. Ящерица вырастает приблизительно до 80 см в длину, включая хвост, составляющий от 70 до 75% от общей длины тела. Вес животного составляет менее чем 2 грамма при вылуплении, а более 500 грамм весит взрослая особь. Самки и самцы имеют окрас от коричневого до оливкового цвета с белой, кремовой или желтой полосой на верхней губе и небольшими полосами по бокам туловища. Они более контрастны у молодых особей и исчезают по мере того, как взрослеет василиск.
Ящерица имеет длинные конечности с большими пальцами и острыми когтями. Живот обычно желтый, рот большой и имеет много пилообразных зубов, расположенных на внутренних сторонах челюсти.
На земле ящерица способна развивать скорость до 11 км/ч. Несмотря на то что эти странные животные больше всего известны своей способностью бегать по воде, они также отличные альпинисты, пловцы и даже водолазы! Взрослые могут находиться под водой до получаса!
В неволе особи обычно достигают возраста 7 лет. Тем не менее их средняя продолжительность жизни в дикой природе считается гораздо меньшей из-за хищников (змеи, птицы, черепахи, опоссумы). На сегодняшний день эти причудливые пресмыкающиеся на грани исчезновения, поэтому находятся под охраной.
Поведение
Ящерицы-василиски являются дневными животными, поэтому они наиболее активны в течение дня, проводя большую часть времени рядом с водой. Ночью они спят на ветвях. Маскировка под цвет листьев является их главным способом защиты от хищников. Кстати, самцы делят территорию, поэтому нарушение «личного пространства» влечет за собой конфликт.
Питание
Эти рептилии всеядны. Их рацион состоит из:
насекомых (жуки, муравьи и стрекозы);
маленьких позвоночных (змейки, птицы и их яйца, и рыба).
Размножение
Самки меньше по размеру, они весят около 200 грамм. Самцов отличают высокие гребни на голове и спине, которые они используют, чтобы произвести впечатление на женских особей.
Ящерица-самка половой зрелости достигает в возрасте 20 месяцев, в то время как самцы взрослеют через 16 месяцев жизни. Тем не менее мужские особи фактически не могут спариваться, пока не достигнут достаточного статуса в иерархии доминирования, а на это может потребоваться 3-4 года.
Сезон размножения может продолжаться до десяти месяцев. В январе и феврале спаривания бывают редкими у такого вида рептилий, как василиск. Ящерица-самка, будучи беременной, готовит неглубокую траншею, в которой после откладывает до 20 яиц. Затем мать оставляет их, и детки должны вылупиться самостоятельно. В среднем это происходит примерно через 88 дней. Детеныши с рождения умеют плавать в воде.
Прогулка по воде
Большинство животных, которые пытаются ходить или бежать через воду, сразу тонут, так как вода, в отличие от твердой почвы, дает мало поддержки или сопротивления.
Для того чтобы понять, как ящерица-василиск (фото есть в статье) перемещается по поверхности воды, была проведена работа по наблюдению и фиксации бега. Снимки дают полную картину этого чуда. С помощью компьютерных программ исследователи сопоставляют соседние кадры видео, благодаря чему можно увидеть, как шарики воды перемещаются, поддерживая земноводное на поверхности. Это позволяет рассчитать рептилиям силы и не дать им утонуть.
Бега по воде василиски добиваются с помощью своих длинных пальцев на задних конечностях с бахромой. Они разворачивают в воде, увеличивая площадь поверхности соприкосновения. Принцип такого передвижения можно определить в три этапа.
Сначала стопа хлопает по воде и отталкивается от ее поверхности, при этом вокруг образуются воздушные карманы. Далее идет движение стопы назад, и тело ящерицы выталкивается вперед. В конце конечность поднимается вверх из воды, снова происходит хлопок, и цикл продолжается. Максимальное пройденное расстояние зависит от размера и веса ящерицы. Молодые особи, как правило, пробегают большие расстояния (от 10 до 20 м), чем старшее поколение (до 4,5 м).
Этот бег похож на езду на велосипеде, но в тот момент как прекращается прокрутка педалей, велосипед останавливается, теряет равновесие и падает. Так же происходит, когда василиск (ящерица) бегает по воде. Рептилия держится на поверхности только при условии непрерывной работы ногами.
Эти пресмыкающиеся Южной Америки остаются одними из самых загадочных существ природы.