Математики рассчитали, как язык хамелеона разгоняется до 100 км/ч за доли секунд

Фото: Gexon/flickr

В новом исследовании ученые рассчитали, какие параметры важны для эффективного «выброса» языка хамелеона и насколько оптимизирован этот процесс. Для описания взаимодействия отдельных составляющих и их согласованной работы авторы статьи создали математическую модель и по ней определили границы значимых показателей.

От других рептилий хамелеонов выгодно отличает целый арсенал приспособлений для выживания: перепончатые лапы, цепкий хвост, способность изменять окрас, панорамное зрение и длинный язык для захвата пищи. Помимо длины (которая составляет до 2,5 длин тела животного) язык хамелеона примечателен скоростью и мощностью разгона. За доли секунд он разгоняется до ста километров в час, и было показано, что добиться такого эффекта исключительно за счет мышечной силы невозможно. В рамках новой работы ученые из США и Великобритании создали механическую модель «выброса» языка хамелеона, объясняющую его удивительные свойства. Подробности их исследования описаны в статье в Proceedings of the Royal Society A.

Для построения модели ученые использовали доступную информацию о виде Trioceros jacksonii, а если какой-либо важный для модели параметр отсутствовал в литературе, оценивали его по изображениям животных. Было показано, что для эффективного «выброса» языка необходима согласованная работа трех компонент: липкого кончика языка для захвата добычи и витков ускоряющих и возвратных мышц, которые выбрасывают и втягивают язык. Крепятся все эти компоненты «пускового механизма» к небольшой подъязычной косточке, которая участвует в процессе «выброса».
Иллюстрация из работы


Анализ замедленной съемки того, как хамелеон ловит жертву, позволил ученым определить три ключевых этапа «выброса» (см. рисунок). Для перехода из состояния покоя (I) в «заряженное» состояние (II) требуется сокращение спиралей ускоряющих мышц, сжимающих концентрически вложенные друг в друга сегменты языка. Затем происходит «выброс», по ходу которого сегменты постепенно телескопически выдвигаются (как антенна радиоприемника), в конце концов занимая третье предельное положение (III).

Внутриязычные сегменты почти полностью состоят из нитевидных коллагеновых волокон, уложенных в виде симметричных противонаправленных спиралей. В рамках исследования ученые варьировали угол, под которым располагались коллагеновые волокна, а также толщину и количество сегментов. Им удалось выяснить некоторые критические значения параметров: например, при толщине внутреннего слоя языка более 1,4 мм выпущенный за добычей язык приобрел бы слишком большую кинетическую энергию и попросту оторвался.

Исследователи отметили, что язык хамелеона является удивительным примером механических инноваций в природе и достоин изучения не меньше, чем способности хамелеона менять цвет. По их словам, оптимальное использование энергии в данном случае возможно благодаря сочетанию правильной геометрии системы, свойств составляющих материалов и соответствующей механики процесса.
Теги:

Читать еще на Чердаке: