Александр Харс - Я познаю мир. Биология

Скелетные мышцы состоят из многоядерных клеток, имеющих вид волокон. Волокна длинные, до 40 мм длиной. Каждое волокно состоит из чередующихся светлых и темных дисков, как ручки ножей, набранные из пластинок разноцветной пластмассы. Темный диск и две половинки светлых дисков, прилегающих к нему слева и справа, образуют саркомер – рабочий элемент мышечных волокон.

image l:href="#image165.png"

Схема строения поперечнополосатой мышечной клетки: 1 – саркомер; 2 – миофибрилла актина; 3 – миофибрилла миозина; 4 – головки миозина

Мышечные волокна собраны в пучки таким образом, что все темные диски каждого волокна располагаются точно под темными дисками других волокон, образуя темную полосу, а светлые диски таким же образом формируют светлые полосы. Это придает мышце сходство с зеброй и послужило причиной того, что скелетные мышцы называют поперечнополосатыми .

В каждой мышечной клетке находятся многочисленные тяжи – миофибриллы, производящие сокращение мышц. Они бывают двух типов. Толстые нити диаметром 15 нанометров (нм) состоят в основном из белка миозина, а тонкие имеют в диаметре всего 7 нм и в состав вещества, из которого они состоят, входит белок актин. Тонкие нити проходят только по светлым участкам саркомера, а в средней части темной полосы проходят только толстые нити. Лишь в самых темных боковых участках темных полос находятся и толстые, и тонкие нити. Причем каждую толстую нить окружают 6 тонких.

Молекулы миозина, как мы уже сказали, составляют основу вещества толстых нитей. Каждая молекула этого белка имеет массивную головку, торчащую наружу, и длинный хвост, вплетенный в нить. В спокойном состоянии, когда мышца не занята работой, головки миозина никакой активности не проявляют. Когда же нерв приносит распоряжение мозга сократиться, они прикрепляются к соседним тонким актиновым нитям и наклоняются. При этом головки поворачиваются примерно на 45° и тянут за собой тонкую нить, которая скользит вдоль толстой нити по направлению к центру саркомера. Здесь тонкие нити встречаются и могут даже заходить друг за друга. Это приводит к сокращению саркомера до 28%, но сами нити при этом не укорачиваются.

Чем длиннее мышца, тем больше в ней саркомеров, тем значительнее она способна сократиться и тем короче она при этом станет. Когда работа мышцы окажется выполненной и мозг отменит приказ о сокращении, головки миозина отсоединяются от тонких нитей и мышечное волокно переходит в нерабочее состояние, а мышца удлиняется до прежнего нерабочего состояния. Таким образом, мышцы сокращаются и растягиваются не потому, что молекулы белков, из которых они состоят, способны растягиваться и уменьшаться, а потому, что белковые нити способны перемещаться.

Высоко ли может прыгнуть человек? К сожалению, не очень. Олимпийский рекорд по прыжкам в высоту без шеста ненамного превышает 2 метра – чуть выше человеческого роста. Если учесть, что непосредственно перед прыжком центр тяжести у человека находится на высоте 90 сантиметров, то рекорд кажется совсем мизерным. Перемахивая через планку, спортсмен на 2 метра поднимает свои ноги, а его центр тяжести «подпрыгивает» от силы метра на полтора!

image l:href="#image166.png"

Гигантский кенгуру

Крупным наземным животным тоже нечем особенно хвастаться. Трехметровый гигантский кенгуру, тело которого специально приспособлено для прыжков, прыгает не выше 3,3 метра. Чем больше весит животное, тем тяжелее ему прыгать, тем больше мышц должно участвовать в осуществлении прыжка. Но мощные мышцы становятся дополнительным грузом. Возникает заколдованный круг.

Математический расчет позволяет предполагать, что животные, у которых отношение веса тела к весу ножных мышц одинаково, должны прыгать на одинаковую высоту независимо от их размера. Наблюдения за животными показывают, что это предположение правильно. Самый маленький кенгуру – сумчатая кенгуровая крыса ростом 40–45 см – прыгает на высоту 2,5 м, а миниатюрная полуобезьянка галаго способна лишь слегка перекрыть олимпийский рекорд человека.

image l:href="#image167.png"

Галаго

Интересно, что водные животные прыгают лучше сухопутных. Неуклюжие на суше пингвины пулей вылетают из воды и, взмыв над ее поверхностью на 1,4—1,6 м, ловко приземляются на кромку льда. Дельфины совершают прыжки на высоту 4–5 м. Даже кальмады, используя свои плавники как несущую плоскость и планируя с их помощью, поднимаются до 7 м над поверхностью воды. Умеют прыгать даже глубоководные рыбы. В 1959 году с борта советского исследовательского судна «Витязь» ученые наблюдали вертикальные прыжки тирзитопса на высоту 2–3 м. Видимо, редкая глубоководная рыба решила дать возможность ученым познакомиться с ней накоротке.

Прыгать в длину значительно легче. Лошадь во время галопа совершает прыжки до 7,5 м. Это 4 длины туловища самого прыгуна. Гиббоны, перепрыгивая с ветки на ветку, покрывают расстояние до 6 м, а крупные кенгуру способны совершать прыжки длиной 9–12 м. Американские полутушканчики прыгают на 3,7 м, а гребнепалый тушканчик из среднеазиатских пустынь – на 3 м. Длина прыжка у них в 20 раз больше длины тела.

image l:href="#image168.png"

Гиббон

Даже первобытный человек не был особенно сильным. Когда он научился использовать на охоте первые примитивные орудия – палки, камни, дубины, он всё равно ощущал, что ему часто не хватает силы, чтобы одним ударом убить оленя или докинуть камень, а позже и копье до пасущейся вдалеке антилопы. Серьезно усовершенствовать орудия охоты первобытные люди смогли только благодаря тому, что научились запасать энергию.

Первым охотничьим орудием, которое использовало запасенную энергию, был охотничий лук. Охотник, натягивая тетиву, сгибал гибкий лук и при этом запасал в нем энергию, когда же он отпускал тетиву, вся энергия, запасенная в согнутом луке, высвобождалась в одно мгновение, посылая стрелу вперед с такой силой, что она могла улететь на значительное расстояние и пронзить дичь. Просто бросить стрелу рукой с такой же силой человек не мог.

До изобретения огнестрельного оружия на войне использовались катапульты и баллисты – метательные машины, способные бросать тяжелые камни, заостренные бревна или бочки с горящей смолой на несколько сот метров. Принцип действия этих машин тот же, что у охотничьего лука. Даже один человек способен был привести в боевую готовность метательную машину. В нужный момент вся накопленная энергия высвобождалась, и огромный камень летел на врага.

Прыгающим животным приходится метать в воздух собственное тело. Среди них самые способные прыгуны – насекомые. Они могут совершать прыжки в высоту на расстояние в 100 и более раз превосходящее длину их тела. Секрет этих рекордов заключается в том, что они используют принцип катапульты. Поэтому мощность, развиваемая мышцами насекомых, в 10 и более раз выше мощности, на которую способны мышцы позвоночных животных.