В самом общем виде тело — это кусок плоти, лежащий на земле или в воде. Чтобы добывать себе пропитание, тело должно двигаться. Для перемещения в воде ему нужны плавники и хвост, а на земле — ноги (исключение составляют змеи). Если единственная функция ног состоит в том, чтобы проталкивать тело вперед, тогда каждый раз при движении будет теряться много энергии в результате трения и других помех. Вот почему животному, чтобы ходить или бегать, нужно иметь такие конечности, которые могли бы не только продвигать тело вперед, но и поддерживать его над землей.
Ноги древнейших передвигавшихся по земле позвоночных — амфибий и рептилий, в том числе существующих и поныне тритонов и аллигаторов, — выполняли обе эти функции, но недостаточно хорошо. Они отходили от боков тела, что очень неудобно для бега (это видно, если посмотреть на аллигатора спереди). Чтобы просто поддерживать вес тела с помощью торчащих в стороны конечностей, уже необходимо достаточное усилие. Это все равно что лежащий на полу человек попытался бы отжаться, опираясь на руки, раскинутые в стороны. Вот почему аллигатор не может бегать быстро и на большие расстояния. Он движется, одновременно перенося переднюю левую ногу и заднюю правую. При ходьбе он делает это медленно, при беге — быстрее, но больше он ни на что не способен.
У млекопитающих ноги — гораздо лучшее приспособление для ходьбы и бега, чем у рептилий. Они направлены вниз, а не в стороны, поэтому лошадь может целый день оставаться на ногах, поддерживая свой вес, в то время как у аллигатора при такой попытке силы очень скоро иссякли бы. А лошадь не только стоит и ходит, она еще может бежать рысью или скакать галопом. Бегущий рысцой аллигатор — вещь невозможная.
— Почему же аллигаторы такие неприспособленные? — спросил Лавджоя кто-то из слушателей.
— Это не так.
— Но вы только что сказали…
— Я сказал, что они плохо бегают. А это разные вещи. Аллигатор великолепен, когда бесшумно соскальзывает с илистой отмели. Он прекрасный подводный охотник. Вспомните, что я говорил о группе совместно функционирующих адаптации. Вы должны рассмотреть весь комплекс используемых животным средств эволюционной стратегии, чтобы понять отдельные компоненты. Лошадь в чем-то добивается успеха, но уж, конечно, не в подводном плавании. И это отражено в строении ее ног.
Конечности млекопитающих формировались в процессе развития способности к бегу. Они не только переместились, расположившись прямо под телом, но и развернулись — задняя таким образом, что колено смотрит вперед, а передняя так, что «локоть» повернут назад. Эти перестройки делают более эффективным преобразование энергии при беге, а также ее поглощение.
Лавджой объяснил далее, что весь бег можно представить как процесс создания кинетической энергии и ее поглощения. Кинетическая энергия создается, когда задние ноги толкают животное вперед, и поглощается передними ногами, когда они опираются на землю. Если бы тело животного парило в пространстве и на него подействовал импульс какой-то силы, то оно приобрело бы некоторую скорость в соответствии с величиной этого импульса. В безвоздушном пространстве оно продолжало бы вечно скользить вперед. Однако в реальных условиях животные не парят в вакууме. При беге они должны постоянно вновь касаться земли, каждый раз теряя при этом часть энергии поступательного движения. Вот почему для дальнейшего движения необходим приток очередной порции энергии. Но животное упадет на землю, если его передние ноги не будут выброшены вперед и их мышцы не поддержат тело. И так без конца: энергия поступает, чтобы обеспечить продвижение тела, и поглощается в процессе его поддержания на достаточной высоте.
Чтобы понять, как происходит поглощение кинетической энергии тела передними ногами, нужно представить их в виде своеобразных амортизаторов, смягчающих удар при соприкосновении с землей. Суставы их сгибаются под давлением силы, направленной вниз, а мышцы противодействуют ей. Сопротивление мышц, которые стремятся выпрямить переднюю ногу, согнутую под действием веса тела, можно назвать «отрицательной силой». Она-то и гасит ту кинетическую энергию, которая высвобождается во время поступательного толчка задних ног.
Чтобы действовать как эффективный амортизатор, передние конечности не должны быть жестко соединены со скелетом тела. И их действительно удерживает на месте только мускулатура. Если бы эти конечности были закреплены более жестко, мышцы не могли бы мягко сопротивляться давлению тела, опускающегося вниз. Тогда поглощение кинетической энергии сопровождалось бы сокрушительным толчком. Благодаря тому что передняя конечность отделена от осевого скелета (а не фиксирована в костной впадине, как задняя), поглощение энергии при каждом шаге бегущего животного происходит плавно.
Задняя нога млекопитающего, напротив, не должна играть роль амортизатора. Ее функция состоит в том, чтобы добавлять кинетическую энергию. Поэтому верхний конец бедренной кости непосредственно входит в вертлужную впадину и удерживается там сухожилиями и связками. Прямое сочленение прочнее, и для передних конечностей оно тоже было бы более предпочтительным, если бы перед ними не стояла важная задача поглощения энергии. Спортсмены знают о недостатках непрямого прикрепления. У них часто случается вывих плечевого сустава вследствие разрыва мышц, удерживающих плечевую кость. Но прямое сочленение амортизирующей конечности принесло бы еще большие неудобства.
Чтобы понять это, вам достаточно спрыгнуть на всю ступню, не сгибая ног, с высоты около 30 сантиметров. Прямое причленение бедренной кости к тазу и выпрямленное колено полностью исключают возможность плавного поглощения энергии.
Рассмотрев эту модель типичного четвероногого млекопитающего — с торчащими вниз конечностями, из которых задние повернуты вперед, а передние назад, задние присоединяются прямо к скелету, а передние через посредство мышц, — легко будет понять, почему при переходе к двуногому хождению она становится менее эффективной. Лучше всего это можно продемонстрировать, рассмотрев разложение сил при беге. Если большая часть энергии расходуется на поступательное движение, а меньшая — на поддержание тела над землей, то тело будет перемещаться с большой скоростью. Если же энергия тратится в основном на поддержание тела, то высокая скорость невозможна. В этом и состоит недостаток двуногого хождения — слишком много энергии идет на то, чтобы тело не падало на землю.
В качестве примера рассмотрим идущего человека. В середине шага, когда одна нога опирается на землю, а другая выброшена вперед и висит в воздухе, тело продолжает двигаться вперед по инерции после предыдущего шага. К оставшейся кинетической энергии добавляется новая ее порция, когда человек выпрямляет ногу в колене и лодыжке, тем самым удлиняет ее и толкает тело вперед. В результате тело теряет равновесие, и другая нога, висящая в воздухе, должна быть опущена на землю для опоры. Это движение в значительной части гасит поступательную скорость. Действие сил, направленных вперед и вверх, можно представить в виде векторов, один из которых будет отображать истинное поступательное движение человека или его скорость (см. рис. на с. 232–233).
Чтобы увеличить скорость, чело век может наклониться вперед, усилив одну составляющую движения за счет другой. Правда, при этом возникнет опасность падения, так как сила, поддерживающая тело, уменьшится. Поэтому человек, чтобы не упасть, вынужден будет чаще прикладывать эту силу — быстрее работать ногами. Это и есть бег. В самом начале человек может сильно наклониться вперед (как спринтер во время старта), но когда ноги его начинают работать с предельной для него быстротой, он принимает почти вертикальное положение. Он может увеличить скорость, больше наклонившись вперед, но если его ноги не в состоянии двигаться быстрее, он просто упадет на землю. Этим нередко пользуются спринтеры в самом конце дистанции. Они с силой швыряют себя вперед и часто падают после пересечения финишной черты.
