Генераторы ритма и размеры животных

Периодические движения у животных: что это?

Наука и жизньНаука

Генераторы ритма и размеры животных

Кандидат биологических наук Михаил Беркинблит, кандидат физико-математических наук Василий Птушенко

История науки показывает, что постановка задачи часто не менее важна, чем её решение. Классический и всем известный пример — Великая теорема Ферма, которая, можно сказать, не имеет практической ценности, но попытки доказательства которой привели к появлению и развитию целых областей математики. Есть такие примеры и в биологии. Один из них — периодические, или циклические, движения у животных.

Периодические движения у животных: что это?

Периодические движения, иногда также называемые циклическими, как правило, если период недостаточно чётко выражен, — это регулярно повторяющийся относительно простой «рисунок» мышечных движений. То есть ритмические сокращения сердечной мышцы и движения диафрагмы, обеспечивающие вдох и выдох, — это периодические движения. И повторяющиеся движения челюсти у коровы (да и не только) при жевании — это циклические движения. Движения ног при ходьбе или беге — это тоже циклические движения. Каждое такое движение представляет собой коротенькую и относительно простую двигательную программу, которая повторяется много раз подряд. В самом простом случае программа состоит всего из двух действий — сокращение и расслабление, в более же сложных случаях, например при ходьбе, включает в себя много последовательных сокращений и расслаблений разных мышц. Такая программа, многократно повторяемая, удобна для организма: она позволяет совершать необходимые действия автоматически, «не задумываясь» над каждым новым циклом. Нужна только сама программа, «записанная» в управляющих данной группой мышц нервных клетках, и генератор, который будет её раз за разом «запускать» в течение относительно длительного времени.

К тому, как устроены эти программы и генераторы, мы вернёмся позже, а пока посмотрим внимательно на сами циклические движения. То, как они действуют, как проявляются в разных организмах, уже само по себе вызывает удивление и заставляет ставить вопросы. Например, дыхание или сердцебиение: хорошо известно, что их частота связана с размерами животного. У мелких животных она высокая, у крупных — низкая. У мыши, например, или у землеройки частота сердцебиения достигает примерно 500 ударов в минуту, в то время как у слона число ударов в минуту всего лишь около 25 (а у человека — около 70). Но почему? Почему генераторы у разных животных, «не сговариваясь», подстраиваются под размер своего хозяина?

Зависимость частоты сердечных сокращений (ЧСС) от массы тела у некоторых теплокровных животных. Рисунок на основе данных из статьи: Rubenstein DA, Yin W, Frame MD.//In: Biofluid Mechanics. Academic Press, 2015, 123—160.

Зачем...

Как и во всяком вопросе, здесь есть несколько «пластов». Мы пока приведём ответ на вопрос, лежащий в самом «верхнем» пласте, — вопрос, который скорее можно было бы сформулировать как «зачем»: зачем животным разного размера разные генераторы? Если говорить о частоте сердцебиения, то причина — в потерях тепла животным. Теплокровность (а слон и мышь — теплокровные животные) обходится организму очень дорого: чтобы поддерживать свою температуру неизменной в среде, которая заметно (на градусы, а то и на десятки градусов) холоднее его, приходится львиную долю всех своих «энергетических ресурсов» пускать на нагрев. Не вдаваясь в детали, можно сказать, что производство тепла в организме животного обеспечивают все его клетки — только подавай им топливо (питательные вещества) и кислород. И то и другое приносится с кровью. Но сколько нужно принести их у мыши и сколько — у слона? Впрочем, возьмём для примера даже не слона, а кошку или небольшую собаку — чтобы не пугать читателя большими числами. Если кошка примерно в десять раз крупнее мыши (по длине тела), то поверхность её тела больше мышиной уже в сто раз, и, значит, в сто раз больше она через эту поверхность теряет тепла. Но при этом объём (и масса) её тела, а вместе с ним — и запас тепла, в тысячу раз больше, а значит, и остывать она будет медленнее. Мелкое же животное, наоборот, остывает гораздо быстрее, поэтому и есть ему нужно больше (в сравнении с его собственным весом), и гонять кровь по своему маленькому организму ему приходится быстрее.

Если объяснение необходимости различий в частоте сердцебиения у разных организмов «лежит на поверхности», то объяснение различий в длительности шага в зависимости от размера не столь очевидно и более интригующе. Вот идут отец с сыном. Пока отец делает один шаг, ребёнок успевает сделать два. Понятно, у отца шаг шире — чтобы угнаться за ним, нужно свои короткие шаги делать чаще. Но дело не только в этом. Если приглядеться, то и при свободном ходе, сами по себе, когда гнаться не за кем, дети, как правило, делают более частые шаги, чем взрослые. Одному из авторов этой статьи довелось в начале 1960-х годов присутствовать на лекции известного физиолога Николая Александровича Бернштейна, который высказывал мысль, что управление движениями конечностей «подстраивается» под их физические особенности. Движения ноги, пусть и управляемой нервной системой, подобно движению маятника: как и у маятника, у неё есть своя частота, с которой ноге «удобно» двигаться вперёд-назад. Если нервные импульсы, управляющие ногой, будут пытаться работать «не в такт» с этой частотой, то такое управление окажется менее экономным.

И почему?

Но вернёмся теперь к тому, как устроены циклические движения. То есть не зачем, а почему они циклические? Этот вопрос далеко не сразу стал ясен. Понятие о рефлексе как об основе физиологических явлений, введённое ещё в XVII веке Декартом, было очень популярным на рубеже XIX и XX веков. В 1917 году английский физиолог Ч. С. Шеррингтон, анализируя циклические движения челюсти у кошек при жевании, выдвинул гипотезу, что они имеют рефлекторную природу. К этому времени был известен рефлекс открывания рта, состоящий в том, что оно вызывается давлением на слизистую оболочку ротовой полости или на десну. Когда в рот попадает пища и челюсти смыкаются, возникает рефлекс открывания рта. При этом основная жевательная мышца, сжимающая челюсти (массетер), растягивается. Во многих мышцах, в том числе и в массетере, растяжение детектируется локализованными в них рецепторами и вызывает рефлекторное сжатие мышцы. Испытав сначала растяжение, массетер затем рефлекторно сокращается и закрывает рот. Это снова вызывает давление пищи на поверхность рта и рефлекторное сокращение мышц антагонистов, открывающих рот. Чередование двух рефлексов и вызывает ритмическое жевание. Видимо, это была первая в физиологии концепция механизма жевания, причём целиком основанная на рефлекторной теории.

Схема жевательного рефлекса по Шеррингтону. Цифрами обозначен порядок рефлекторных событий, стрелками — направления нервных импульсов в рецепторных (1, 3) и моторных (2, 4) нейронах.

Как говорится в известной шутке, величие учёного определяется тем, как надолго ему удалось затормозить развитие науки. Шеррингтону удалось лет на двадцать затормозить развитие представлений о циклических движениях: авторитет его был столь велик, что долгое время такое их объяснение казалось единственно верным, на альтернативные гипотезы обращали мало внимания. Первые указания на его ошибочность появились, когда обнаружилось, что циклические движения челюсти сохраняются и при нарушениях чувствительности полости рта, и при нарушениях проводимости афферентных (то есть рецепторных) нервных волокон.

Авторизуйтесь, чтобы продолжить чтение. Это быстро и бесплатно.

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

Эволюция вселенной и открытие первой экзопланеты Эволюция вселенной и открытие первой экзопланеты

Нобелевский комитет обратил свой взор на работы, связанные с глубинами Вселенной

Наука и жизнь
5 способов ускорить метаболизм для ленивых: приходим в форму к Новому году 5 способов ускорить метаболизм для ленивых: приходим в форму к Новому году

Правильные продукты помогут похудеть без походов в спортзал

Cosmopolitan
Философский камень, или немного sapientia ex cupro Философский камень, или немного sapientia ex cupro

Идеи вечной жизни, молодости и излечения от всех болезней не умерли

Наука и жизнь
Художник Алексей Шульгин: В каждом из нас сочетаются ретроград и прогрессист Художник Алексей Шульгин: В каждом из нас сочетаются ретроград и прогрессист

Как художнику выделиться в объединенном мире?

СНОБ
То ли волк, то ли собака То ли волк, то ли собака

Откуда появляются волкособаки?

Наука и жизнь
Бессмысленный форсаж Бессмысленный форсаж

«Роскосмос» почти наверняка не сможет выполнить указания президента

Эксперт
Следи за собой Следи за собой

Статистика знает все обо всех, но ничего не скажет о конкретном человеке

Популярная механика
Андрей Тарковский-младший: «Я жил в том мире, который создавал мой отец» Андрей Тарковский-младший: «Я жил в том мире, который создавал мой отец»

Андрей Тарковский-младший о своём отце - знаменитом режиссере Андрее Торковском

Эксперт
«Святой Сергий» идёт в Любек «Святой Сергий» идёт в Любек

Новые данные о формировании эрмитажного собрания в начале его существования

Наука и жизнь
Мне 16, и я живу один в дикой природе Мне 16, и я живу один в дикой природе

История этого шотландского подростка поразит любого родителя

Psychologies
Вселенная известная и неизвестная Вселенная известная и неизвестная

Некоторые вопросы об устройстве Вселенной уже имеют ответы

Наука и жизнь
Обратная сторона праздника Обратная сторона праздника

Почему многие признаются, что праздники для них – это самое грустное время

Psychologies
Как звучит рассвет на Марсе? Как звучит рассвет на Марсе?

Ученые перевели пиксели в ноты

National Geographic
8 стратегий против ненужных покупок 8 стратегий против ненужных покупок

Как устоять перед соблазном купить «чего-нибудь этакого»?

Psychologies
Диета долгожителей Диета долгожителей

Этот традиционный рацион помогает избежать многих болезней

National Geographic
Ради чего стоило ехать на выставку EICMA 2019 Ради чего стоило ехать на выставку EICMA 2019

11 главных новинок в индустрии мотоциклов

GQ
Рыжие бестии Рыжие бестии

Актрисы-близнецы Кутеповы: что по жизни бесит, от чего в сердце начинается пожар

Elle
Джеймс Клир: Как сформировать новую привычку Джеймс Клир: Как сформировать новую привычку

Как не стать жертвой собственных привычек?

СНОБ
Вадим Мошкович Вадим Мошкович

Создатель школы «Летово» — об эндаумент-фонде, «слепом» поступлении и «плане Б»

Robb Report
Приложение вместо инспектора: как правильно и быстро оформить ДТП Приложение вместо инспектора: как правильно и быстро оформить ДТП

В России заработало новое мобильное приложение «Помощник ОСАГО»

РБК
Сериал Сериал

HBO и «Амедиатека» представили новых «Хранителей»

Esquire
Без определенного места сожительства: как коворкинги и коливинги вытесняют офисы и квартиры Без определенного места сожительства: как коворкинги и коливинги вытесняют офисы и квартиры

Экономика шеринга развивается во всем мире с огромной скоростью

РБК
Как научиться принимать свой возраст: рассказывает психолог Как научиться принимать свой возраст: рассказывает психолог

С рождения нас преследуют навязанные нормы, с возрастом они становятся жестче

Cosmopolitan
Мощный тайфун или легкий бриз? Может ли «дело Соколова» утащить на дно ректора СПбГУ Мощный тайфун или легкий бриз? Может ли «дело Соколова» утащить на дно ректора СПбГУ

Когда профессор Олег Соколов упал в Мойку, по воде пошли большие круги

СНОБ
«Лучше всего человека развивают банкротство, разводы и рак»: экс-миллиардер Ноготков рассказал о жизни в США и перспективах России «Лучше всего человека развивают банкротство, разводы и рак»: экс-миллиардер Ноготков рассказал о жизни в США и перспективах России

Основатель «Связного» Максим Ноготков о том, как переживал банкротство

Forbes
Русские ереси Русские ереси

На Руси также были те, кого церковь не желала считать истинно верующими

Дилетант
Лимонов дает пощечину общественному вкусу Лимонов дает пощечину общественному вкусу

Инвестор Сергей Лимонов поддерживает бунтарей

Собака.ru
Леон Фелипе Леон Фелипе

Леон Фелипе - нормальный трагический поэт, обычный такой гений

Дилетант
Муравьиная планета: как два друга из Волгограда заработали миллионы на фермах для насекомых Муравьиная планета: как два друга из Волгограда заработали миллионы на фермах для насекомых

Как детское увлечение превратилось в бизнес с миллионной выручкой

Forbes
Пять простых тренировок для поддержания здоровья Пять простых тренировок для поддержания здоровья

Ученые выделили пять активностей на пользу физическому и психическому здоровью

Psychologies
Открыть в приложении