Все знают, что ящерицы могут отбрасывать хвост. Но как они это делают? Серьезно, как?

Ученые, кажется, нашли ответ и собираются испытать его на роботах

Международная группа ученых и инженеров из США и ОАЭ раскрыла физический механизм, который позволяет ящерицам легко отбрасывать хвост в случае нападения, но при этом обеспечивает его надежное крепление тогда, когда опасности нет. Механизм оказался связан со сложным устройством поверхности у мышечных волокон в хвосте этих животных. Чтобы проверить свою теорию, ученым даже пришлось создать полимерный аналог рептильного хвоста и опробовать на нем механизм отбрасывания. Авторы уже планируют использовать свое изобретение в робототехнике — для создания биомиметических устройств, способных, подобно ящерице, пожертвовать частью себя в особо затруднительной ситуации.

Способность ящериц отбрасывать хвосты хорошо известна и описана с древних времен, поэтому может показаться странным, что ученые в наши дни все еще занимаются исследованием этого вопроса. Но на самом деле этот механизм настолько сложен и вызывает столько вопросов, что все оказывается с точностью до наоборот — странно, почему все ученые мира не отложили другие дела и не начали изучать только его.

Во-первых, если хвост так уж сильно мешает ящерицам спасаться от хищников, то почему в ходе эволюции им не удалось от него избавиться вовсе — как, скажем, это сделали лягушки? В чем эволюционное преимущество обладания хвостом, если его сохранение требует изобретения сложнейшего механизма отбрасывания?

Во-вторых, почему некоторые ящерицы умеют отбрасывать хвосты быстро и легко, а другие, в том числе близкие виды, либо разучились это делать вовсе, либо им для этого требуется существенно больше усилий и происходит это по статистике гораздо реже?

В-третьих, можно ли, говоря о таких видах, вообще употреблять слово «разучились»? Или же неспособность отбрасывать хвост, как кажется логичным, есть более древняя, исходная черта рептилий? А если так, то есть ли такие, которые действительно когда-то умели, а потом разучились избавляться от хвостов? И почему в какой-то момент эволюции таких рептилий баланс выгоды сместился к тому, чтобы потерять это экзотическое и сложное умение? И если для некоторых видов отсутствие этой способности действительно является результатом утраты, то может ли в ходе эволюции совершенно новый механизм отбрасывания возникнуть вновь? И насколько он будет похож на тот, что существовал исходно?

В-четвертых, как вообще ящерицам удается соблюдать баланс выгоды в вопросе сохранения хвоста? В конце концов, многие из них хранят в хвосте ценные жировые запасы, потеря которых кажется огромной растратой почти всегда (если только животному не грозит неизбежная гибель). И если это большая потеря, то почему некоторые виды отбрасывают хвосты даже при легком прикосновении и испуге?

Наконец, главный вопрос касается механизма: как ящерицам удается сохранять механическую прочность хвоста почти всегда, кроме тех случаев, когда они сознательно намериваются его отбросить? Первые наивные теории, пытавшиеся объяснить такое поведение, были чисто механистическими и постулировали существование в хвосте неких «слабых мест», по которым идет разрыв при натяжении. Но одного их существования явно недостаточно, ведь надежно доказано, что мертвые и бессознательные ящерицы отбрасывать хвост не могут — это активный процесс, который требует мышечной активности.

Из всех этих сложных вопросов ученые из Нью-Йоркского университета и Университета Абу-Даби решили ответить на последний — вопрос о механической прочности хвоста в условиях, когда ящерица желает или не желает его отбросить. Характерно, что большая часть команды исследователей была даже не биологами, а инженерами и специалистами по наноматериалам — именно поэтому им удалось не только объяснить теоретически, но и на практике воспроизвести механизм отбрасывания на специально созданной модели из обычного полимера.

До настоящей работы состояние знаний в этой области было следующим. Прежде всего было известно, что при отрыве хвоста по «классическому» механизму разрыв действительно идет не в случайных местах, а по одной из специальных «слабых» плоскостей, делящих хвост на сегменты. После отрыва ящерица почти не теряет крови — для этого в ее хвостовой артерии есть соответствующий запиращий сфинктер, а в венах — клапаны, не пропускающие воздуха. После отрыва в хвосте обычно сохраняются восемь выступающих мышечных пучков, которым соответствует восемь отверстий в области ранки на теле ящерицы. Вместе те и другие образуют подобие разъема-штепселя, на котором хвост держится в нормальной жизни. Прочность крепления до разрыва обеспечивают прежде всего мышечные волокна, ведь прочность позвонков в этих местах минимальна и разрыв (у большинства ящериц) идет по телу позвонка, а не между ними.

Также ранее было известно и то, что при отрыве мышечные филиаменты внутри хвоста сами по себе не разрушаются — разрыв происходит в месте их крепления к оболочке, составленной из соединительной ткани (мышечной фасции). Однако почему в одной ситуации эти филаменты хвост прочно удерживают, а в другой — легко от него отсоединяются, было не ясно. Объяснить это удалось с помощью изучения микрофотографий поверхностей, соединяющих мышцы, и последующего воспроизведением микроструктуры этих поверхностей в пластике.

Оказалось, что крепление хвостов у ящериц и гекконов устроено в инженерном смысле удивительно похоже на то, как их собственно тело крепится к вертикальным поверхностям и даже стеклу благодаря ворсинкам на лапах. Так, на поверхности мышечных волокон в хвосте ученые обнаружили сложные, собранные в пучки грибовидные структуры, которые контактируют с плоской поверхностью соединительнотканной оболочки мышцы. Грубо говоря, хвост крепится к ящерице так же, как ее лапы крепятся к поверхности стекла.

Важно, что «шляпки» грибовидных структур на мышечных клетках при этом покрыты мириадами нанопор, выполняющих роль крохотных присосок, работающих на капиллярной силе. Без них, как показали дальнейшие эксперименты в пластике, сила адгезии многократно снижается — то есть «наноприсоски» действительно нужны для сохранения прочности хвоста в обычной жизни.

Как же тогда ящерице удается быстро уменьшить прочность соединения мышц в месте контакта, если необходимо срочно отбросить хвост? Ответ оказался тривиальным повторением механизма движения гекконов по стеклу, то есть сводился к изменению направления механического натяжения.

Известно, что когда геккон висит на стекле, ворсинки на поверхности его лап равномерно распределяют вес между собой; в результате ни в одной из них отрыва не происходит (очень подробно про это можно прочитать здесь). Когда геккон хочет сделать шаг, то не пытается оторвать лапу перпендикулярно к поверхности, а сгибает ее под углом. Усилие в таком случае направляется по крайним ворсинкам, возникает фронт отрыва и животное делает шаг. Работает это примерно так же, как и с обычной липкой лентой: ее можно отклеить, если тянешь с одного края, под углом к поверхности, но это практически невозможно, если усилие распределяется по всей наклеенной ленте равномерно.

Оказалось, что примерно тот же механизм работает у ящериц и гекконов в хвосте: когда хвост натягивается вдоль тела, все микроскопические мышечные волокна распределяют усилия между собой равномерно и отрыва не происходит. Когда же ящерица хочет хвост отбросить, она его изгибает в сторону, внутри на поверхности мышечных волокон образуется фронт отрыва, и хвост легко отсоединяется от остального тела. Этот механизм, помимо прочего, легко объясняет тот необычный факт, что ящерица не способна отбросить хвост, если не может его согнуть. Например, если взять хвост слишком близко к области таза или, например, натянуть его слишком сильно.

Ученые уже планируют использовать полученные искусственные аналоги хвостов в роботехнике, где подобный механизм аутотомии — то есть самоампутации — мог бы пригодиться в случае крайней необходимости. До реального применения здесь, конечно, очень далеко, авторы только рассуждают о такой возможности. И даже в случае ящериц новая работа не позволяет ответить на все возникающие вопросы.

Например, на вопрос о том, насколько универсален этот механизм. На самом деле в ходе эволюции отбрасывание хвоста у рептилий действительно возникало как минимум дважды. Ящерицы, сначала потерявшие, а затем снова открывшие в себе эту способность, вполне существуют. Они, судя по всему, отбрасывают хвосты несколько иначе, чем те, что исследовались в новой работе, — по крайней мере известно, что разрыв у них идет между позвонками, а не внутри них. Неясно, насколько отличается механизм их аутотомии и на микроуровне. Еще интереснее вопрос эволюционного баланса: как аутотомия в принципе появляется в ходе эволюции и почему иногда исчезает?

По крайней мере, понятно, что это свойство, хоть и экзотичное, возникало в истории жизни многократно и в разных группах животных. Известно, например, что частичную способность к аутотомии имеют даже млекопитающие: например, хлопковые хомяки Sigmodon hispidus научились пусть и не отбрасывать хвосты, но сбрасывать с них кожу, а африканские мыши рода Acomys в случае опасности могут пожертвовать кусочками своей шерсти, которая затем быстро восстанавливается.

Александр Ершов