کانگوروها به جهشهای بلند و قدرتمندشان در چشماندازهای استرالیا شهرت دارند. اما آنچه این حرکت را شگفتانگیزتر میکند این است که کانگوروها چگونه میتوانند سریعتر بپرند بدون اینکه انرژی بیشتری مصرف کنند. در بیشتر حیوانات، افزایش سرعت به معنای مصرف سوخت بیشتر است، اما کانگوروها این قاعده را بههم میزنند.
یک پژوهش جدید توضیح میدهد که این پدیده چگونه ممکن میشود. پاسخ این پرسش در بررسی دقیق وضعیت بدن، عضلات و تاندونها هنگام جهش نهفته است. دانشمندان دانشگاه سانشاین کوست استرالیا با استفاده از فناوریهای پیشرفته ردیابی حرکت و مدلسازی رایانهای، به بینشهای تازهای درباره حرکت جانوران و مصرف انرژی دست یافتهاند.
درک نحوه حرکت کانگوروها
کانگوروها، والابیها و جانوران مشابه که با نام کلی ماکروپودها شناخته میشوند، الگوهای حرکتی متفاوتی نسبت به دیگر پستانداران دارند.
در سرعتهای پایین، کانگورو از الگویی موسوم به حرکت پنجنقطهای استفاده میکند. در این حالت، اندامهای جلویی، اندامهای عقبی و دم همزمان با زمین در تماس هستند.
با افزایش سرعت، حیوان به جهش روی میآورد و تنها از اندامهای عقبی استفاده میکند. این تغییر در شیوه حرکت، نحوه مصرف انرژی را نیز دگرگون میکند.
بیشتر حیوانات با افزایش سرعت، انرژی بیشتری مصرف میکنند. اما کانگوروها از این الگو پیروی نمیکنند. این موضوع سالها ذهن دانشمندان را به خود مشغول کرده بود و اکنون پاسخهای شفافتری برای آن ارائه شده است.
چرا افزایش سرعت معمولاً انرژی بیشتری میطلبد
در اغلب جانوران، حرکت سریعتر به معنای کاهش زمان تماس پا با زمین است. در نتیجه، عضلات باید در زمان کوتاهتری نیروی بیشتری تولید کنند که این امر مصرف انرژی را افزایش میدهد. این مفهوم با عنوان فرضیه هزینه تولید نیرو شناخته میشود.
«فرضیه هزینه تولید نیرو که در یک مطالعه پیشین تکمیل شده است، نشان میدهد هرچه حیوانات سریعتر حرکت کنند و زمان تماس با زمین کاهش یابد، هزینه انرژی باید افزایش پیدا کند، اما ماکروپودها از این روند پیروی نمیکنند»، لورن تورنتون، نویسنده اصلی مطالعه توضیح میدهد.
همین تناقض باعث شد پژوهشگران بررسی عمیقتری از نحوه حرکت پاهای کانگورو و مدیریت نیروها در زمان جهش انجام دهند.
ساخت یک کانگوروی دیجیتال
برای مطالعه دقیقتر، تیم تحقیقاتی یک مدل سهبعدی اسکلتی-عضلانی از کانگورو طراحی کرد.
این مدل بر پایه دادههای ثبت حرکت و صفحات اندازهگیری نیرو ساخته شد که نشان میدهند حیوان در هر جهش چه میزان نیرو به زمین وارد میکند.
پژوهشگران کانگوروهای قرمز و خاکستری را بررسی کردند و تمرکز خود را بر سه عامل اصلی گذاشتند:
- وضعیت اندامهای عقبی
- مزیت مکانیکی مؤثر
- میزان کاری که در مفصل مچ پا انجام میشود
مزیت مکانیکی مؤثر به دانشمندان کمک میکند درک کنند که عضلات و تاندونها تا چه اندازه بهطور کارآمد با یکدیگر همکاری میکنند.
تغییر وضعیت بدن در جهشهای سریعتر
پیش از آغاز تحلیلها، پژوهشگران دو پیشبینی مطرح کردند. نخست اینکه با افزایش سرعت جهش، اندام عقبی کانگورو حالت خمیدهتری به خود میگیرد، عمدتاً به دلیل تغییرات در مفاصل مچ پا و انگشتان.
دوم اینکه این تغییر وضعیت باعث افزایش فشار بر تاندونها و بهبود ذخیره انرژی میشود بدون آنکه عضلات مجبور به انجام کار اضافی باشند.
نتایج تا حدی این فرضیات را تأیید کرد. اندامهای عقبی در سرعتهای بالاتر واقعاً خمیدهتر میشدند.
این تغییر عمدتاً ناشی از مفصل مچ پا و مفصل متاتارسوفالانژیال بود، مفصلی که انگشتان را به کف پا متصل میکند. جرم بدن نیز نقش داشت، اما سرعت تأثیر پررنگتری نشان داد.
نقش کلیدی مچ پا در هر جهش
بررسی دقیقتر انرژی در سطح مفاصل نشان داد که مفصل مچ پا بیشترین کار و توان را در جهش بر عهده دارد.
با تغییر وضعیت بدن و خمیدهتر شدن اندام عقبی، مزیت مکانیکی مؤثر مچ پا کاهش مییابد. این بدان معناست که عضلات مزیت مکانیکی کمتری دارند، اما تاندونها نقش پررنگتری ایفا میکنند.
به گفته تورنتون، تیم تحقیقاتی دریافت که با افزایش سرعت جهش، کانگوروها بیشتر خم میشوند، آن هم عمدتاً از طریق تغییر زاویه مچ پا و مفصل متاتارسوفالانژیال.
«این موضوع هندسه اندام عقبی را تغییر میدهد، بهویژه بازوهای گشتاور نیروی تاندون آشیل و نیروی واکنش زمین، که باعث کاهش مزیت مکانیکی مچ پا میشود.»
«در نتیجه، فشار روی تاندون آشیل افزایش مییابد و میزان انرژی کشسانی که میتواند در هر جهش ذخیره و آزاد کند بیشتر میشود. ما دریافتیم که این سازوکار به کانگوروها کمک میکند میزان کار خالص در مچ پا و میزان کار عضلات را صرفنظر از سرعت ثابت نگه دارند.»
به زبان ساده، تاندون مانند یک فنر عمل میکند. هرچه فشار بیشتر باشد، انرژی بیشتری ذخیره و آزاد میشود و نیاز به تلاش اضافی عضلات کاهش مییابد.
مسیرهای آینده پژوهش
پروفسور کریستوفر کلمنته از دانشگاه کوئینزلند میگوید:
«یافتههای ما نشان میدهد افزایش جذب انرژی در مچ پا که بهواسطه کنترل وضعیت بدن ایجاد میشود، بازده انرژی جهش را بالا میبرد، هرچند ممکن است حداکثر اندازه قابل دستیابی در گونههای بزرگتر را محدود کند.»
این پژوهش همچنین نشان میدهد وضعیت بدن تنها به تعادل یا سبک حرکت مربوط نیست. تغییرات کوچک در زاویه مفاصل میتوانند جریان انرژی در بدن را شکل دهند.
البته این مطالعه محدودیتهایی نیز دارد. بیشتر عضلات کانگورو در نزدیکی لگن و زانو قرار دارند، در حالی که مچ پا بیشترین کار را انجام میدهد. برای درک نقش کل بدن در مصرف انرژی، به تحقیقات بیشتری نیاز است.
«ما بخشهای بیشتری از پازل انرژی حرکتی کانگوروها را کنار هم گذاشتهایم و نشان دادهایم که مزیت مکانیکی مؤثر میتواند پویاتر از آن باشد که پیشتر تصور میشد»، کلمنته توضیح میدهد.
«کار ما همچنین نشان میدهد که مدلسازی و شبیهسازی اسکلتی-عضلانی چگونه میتواند پیوندهای مستقیم میان شکل و عملکرد را آشکار کند، پیوندهایی که اغلب از طریق آزمایشهای مستقیم بهسختی قابل شناسایی هستند.»
او در پایان میافزاید که مطالعات آینده میتوانند با گسترش این پژوهش، تصویر کاملتری از سینماتیک حرکتی کانگوروها ارائه دهند.
این مطالعه در مجله علمی eLife منتشر شده است.
