Насекомые кажутся необычайно сильными прежде всего из-за своего малого размера. Сила мышцы зависит главным образом от площади её поперечного сечения, а масса тела – от его объёма. При уменьшении животного объём и вес сокращаются быстрее, чем способность мышц создавать усилие. Поэтому муравей или жук может перемещать груз, в несколько раз превосходящий его собственную массу, хотя в абсолютных величинах создаваемая им сила невелика.
Что означает относительная сила
Когда насекомое называют сильным, обычно сравнивают поднятый груз не с результатом человека в килограммах, а с массой самого животного. Это относительная сила. Муравей, переносящий предмет тяжелее себя, показывает впечатляющее отношение груза к массе тела. Однако человек всё равно создаёт намного большее усилие в ньютонах и поднимает гораздо более тяжёлые предметы.
Такое различие важно. Крошечная крупинка может быть для муравья грузом в несколько масс его тела, но для человека она почти невесома. Фраза «насекомое сильнее человека» верна лишь при заранее выбранном способе сравнения – по числу собственных весов, которое способны выдержать или переместить участники.
Кроме того, «поднять», «нести», «тянуть» и «выдержать нагрузку до разрушения» – разные испытания. Они требуют разного положения тела, сцепления с поверхностью и работы разных мышц. Поэтому рекорд, полученный в одном тесте, нельзя автоматически переносить на все остальные действия.
Главная причина – закон квадрата и куба
Представим два геометрически подобных животных, одно из которых в десять раз короче другого по всем линейным размерам. Площадь поперечного сечения его мышц будет меньше примерно в сто раз, а объём и масса – примерно в тысячу раз. Абсолютная сила уменьшится, но не так сильно, как собственный вес. В результате отношение мышечной силы к массе окажется примерно в десять раз выше. Почему эта же геометрия благоприятствует компактному телу, объясняет статья о небольшом размере насекомых.
Это упрощённый пример закона квадрата и куба. Если длина меняется в определённое число раз, площадь меняется пропорционально квадрату этого числа, а объём – пропорционально кубу. Масса животного при близкой плотности связана с объёмом, тогда как максимальное усилие мышцы во многом определяется количеством волокон, расположенных рядом в её физиологическом поперечном сечении.
Именно поэтому маленькое животное тратит сравнительно небольшую часть доступного усилия на поддержку собственного тела. У него остаётся заметный запас для разгона, прыжка, удержания добычи или переноса пищи. У крупного животного гораздо большая доля возможностей мышц и скелета нужна уже для того, чтобы противостоять собственному весу.
Закон масштаба описывает общую тенденцию, а не точный результат для каждого вида. Реальные насекомые отличаются формой тела, долей мышечной ткани и строением конечностей. При сравнении особей разного размера пропорции также могут меняться. Поэтому простая геометрическая модель объясняет основу явления, но не заменяет измерений.
Мышцы насекомых не сделаны из чудесного материала
Иногда относительную силу объясняют тем, что мышцы насекомых якобы во много раз мощнее мышц других животных сами по себе. Это слишком простое объяснение. Мышечные ткани разных животных создают силу благодаря сходному механизму взаимодействия белковых нитей. Существенны площадь рабочего сечения мышцы, направление волокон, частота сокращений и устройство рычагов, а не только свойства одного квадратного миллиметра ткани.
Некоторые насекомые действительно вкладывают много места в мышцы, необходимые для определённой задачи. В голове насекомого могут располагаться крупные мышцы, приводящие в движение жвалы, а в груди – мышцы ног или крыльев. Естественный отбор формирует тело под образ жизни: резание листьев, рытьё, прыжки, захват добычи или перенос строительного материала.
Важно и передаточное отношение рычага. Мышца тянет за внутренний элемент скелета, а сустав преобразует это усилие в движение конечности или жвал. Короткий рабочий рычаг способен дать большое усилие на конце, но обычно ценой меньшей скорости и амплитуды. В другой конструкции преимущество может быть отдано быстроте.
Как помогает наружный скелет
Тело насекомого покрыто кутикулой, образующей наружный скелет. Он защищает внутренние органы и служит каркасом для прикрепления мышц. Твёрдые участки соединены более гибкими сочленениями, благодаря чему конечности и ротовые органы могут двигаться. Внутренние выступы кутикулы создают дополнительные места для мышечного крепления и помогают передавать нагрузку. Малая масса также помогает понять, почему насекомые переживают падение.
Экзоскелет не производит силу, но позволяет эффективно направлять её. Форма суставов, толщина кутикулы и переходы между твёрдыми и мягкими тканями влияют на то, какую нагрузку выдержит конкретная часть тела. При этом наружный скелет не является неразрушимой бронёй. Он может деформироваться, треснуть или разрушиться в сочленении, если нагрузка превышает предел конструкции.
На очень малом масштабе собственный вес насекомого невелик, поэтому его опорным деталям не приходится быть массивными. Крупное животное нельзя получить простым увеличением муравья на чертеже: его масса росла бы быстрее площади несущих элементов, и прежние пропорции перестали бы выдерживать нагрузку.
Что показывают опыты с муравьями
Муравьи стали главным символом относительной силы, но популярные цифры часто смешивают разные виды и методы проверки. В исследовании муравьёв-листорезов максимальная переносимая нагрузка в среднем составляла около 8,8 массы тела. Это выдающийся результат, однако он заметно отличается от расхожего утверждения, будто любой муравей без труда поднимает груз в 50 раз тяжелее себя.
В другом опыте исследователи проверяли не обычную переноску, а предел прочности шейного сочленения полевого муравья. Тело насекомого подвергали всё большей нагрузке в центрифуге. Сочленение начинало растягиваться при силе, соответствующей примерно 350 собственным весам, а разрушалось при 3400–5000 весах. Этот эксперимент показывает запас прочности конструкции, но не означает, что муравей способен ходить с таким грузом. При реальной переноске раньше возникнут ограничения мышц, ног, сцепления с поверхностью, равновесия и положения предмета.
Даже у муравьёв результат меняется в зависимости от вида, размеров рабочей особи и задачи. Один груз удобно зажать жвалами и держать близко к телу, другой создаёт большой опрокидывающий момент. Гладкая поверхность может не дать ногам нужного сцепления. А предмет, который удаётся оторвать от земли, не всегда получается долго нести по неровной дороге.
От чего ещё зависит сила насекомого
Наблюдаемая способность перемещать груз определяется сразу несколькими факторами:
- количеством и расположением мышечной ткани;
- формой суставов и соотношением плеч рычага;
- прочностью кутикулы и мягких сочленений;
- сцеплением коготков или подушечек лапок с опорой;
- положением центра тяжести насекомого и груза;
- скоростью движения и продолжительностью усилия;
- температурой тела и окружающей среды, влияющей на работу мышц.
Некоторые резкие движения насекомых усиливаются ещё и пружинным механизмом. Мышцы постепенно деформируют упругую структуру, защёлка удерживает накопленную энергию, а затем она быстро высвобождается. Так можно получить очень мощный прыжок или стремительное движение жвал, но это не то же самое, что долго удерживать тяжёлый предмет.
Сильны ли все маленькие животные
Малый размер даёт выгодное отношение силы к весу не только насекомым. Та же геометрическая закономерность действует для других небольших животных и механических конструкций. Но размер не гарантирует рекорда. Медленно двигающийся вид с тонкими конечностями может уступать насекомому сходной массы, чьё тело приспособлено к рытью или переноске грузов. Сравнить разные планы строения членистоногих можно в материале почему паук не является насекомым.
Поэтому правильнее говорить не о сверхъестественной силе насекомых, а о преимуществах малого масштаба, дополненных специализацией. Их мышцы создают умеренное абсолютное усилие, зато собственное тело весит настолько мало, что это усилие многократно превосходит необходимое для его поддержки. Экзоскелет, суставы и рычаги помогают использовать запас в конкретных действиях – от переноски листа до прыжка или захвата добычи.
Коротко о главном
Насекомые сильны относительно своей массы потому, что при уменьшении размеров вес сокращается быстрее, чем возможная сила мышц. Малый собственный вес, эффективные рычаги и приспособленный к нагрузкам экзоскелет позволяют многим видам перемещать предметы тяжелее себя. Но величина результата зависит от вида и способа измерения, а испытание детали на разрыв нельзя считать обычной грузоподъёмностью живого насекомого.
