Войти
Игрушечное животное с колесами, от Доколумбиевы Мексика Некоторые организмы способны катиться передвигаться. Однако настоящие колеса и пропеллеры - несмотря на их полезность в человеческих транспортных средствах - по-видимому, не играют значительной роли в движении живых существ (за исключением некоторых жгутиков, которые действуют как штопоры ). Биологи объяснили причины этого очевидного отсутствия биологических колес, и колесные существа часто появлялись в спекулятивной фантастике.
Учитывая повсеместное распространение колеса в человеческой технологии и существование биологических аналогов многих других технологий ( таких как крылья и линзы ), отсутствие колес в естественном мире, по-видимому, требует объяснения - и это явление в целом объясняется двумя основными факторами. Во-первых, существует несколько связанных с развитием и эволюционных препятствий на пути к появлению колеса посредством естественного отбора, отвечающих на вопрос «Почему жизнь не может развить колеса?» Во-вторых, колеса часто находятся в невыгодном конкурентном положении по сравнению с другими средствами движения (такими как ходьба, бег или скольжение ) в естественной среде, что позволяет вопрос "Если колеса могут развиваться, почему они все же редки?" Этот специфический для окружающей среды недостаток также объясняет, почему по крайней мере одна историческая цивилизация отказалась от колеса в качестве средства передвижения.
Существует два различных режима передвижения с использованием вращения : первый, простой перекатывание ; и, во-вторых, использование колес или пропеллеров, которые вращаются на оси или валу относительно неподвижного тела. В то время как многие существа используют первый способ, последний ограничен микроскопическими одноклеточными организмами.
панголин Manis temminckii в защитной позе, в котором он может катиться Некоторые организмы используют катание в качестве средства передвижения. Эти примеры не представляют собой использование колеса, поскольку организм вращается как единое целое, а не с использованием отдельных частей, которые вращаются независимо.
Несколько видов удлиненных организмов образуют свои тела в виде петли для катания, в том числе определенные гусеницы (которые делают это, чтобы избежать опасности ), тигровый жук личинки, многоножки, креветки-богомолы, Armadillidiidae и саламандры горы Лайель. Другие виды принимают более сферические позы, в первую очередь для защиты своего тела от хищников; эта поза была замечена у панголинов, колесных пауков, ежей, броненосцев, ящериц, опоясанных броненосцами, равноногих и ископаемых трилобитов. Было замечено, что панголины и колесные пауки намеренно откатываются от хищников. Эти виды могут катиться пассивно (под действием силы тяжести или ветра) или активно, обычно изменяя свою форму для создания движущей силы.
Перекати-поле, которые представляют собой надземные части некоторых растений, отдельно от их корневую структуру и катитесь по ветру, распространяя свои семена. Эти растения особенно распространены в открытых равнинах. К наиболее известным из них относятся Kali tragus (также известный как Salsola tragus) или русский колючий чертополох, который прибыл в Северную Америку в конце 19 века и получил репутацию ядовитого сорняк. Известно, что грибы рода Bovista используют ту же стратегию для распространения своих спор..
Коловратки представляют собой тип микроскопических, но многоклеточных животных, обычно встречающихся в пресноводной среде. Хотя латинское название коловратки означает «несущий колесо», у этих организмов нет вращающихся структур, а скорее кольцо из ритмично бьющихся ресничек, используемых для питания и движения.
Кератиноциты, тип клеток кожи, мигрируют перекатывающимся движением в процессе заживления ран. Эти клетки служат для создания барьера против патогенов и потери влаги через поврежденные ткани.
Навозные жуки образуют сферические шары из экскрементов животных, которые они катят вместе со своим телом, обычно идя назад и толкая мяч задними ногами. Филогенетический анализ показывает, что это поведение качения эволюционировало независимо несколько раз. Поведение этих жуков было отмечено в древнеегипетской культуре, которая придавала сакральное значение их деятельности. Хотя катится шарик навоза, а не сам жук, жуки сталкиваются со многими из тех же механических трудностей, с которыми борются катящиеся организмы.
Мидии из рода Anodonta со стилем («st»), показанным черным 
Lampsilis мидия, со стилем («st») в поперечном сечении Среди животных существует единственный известный пример очевидно свободно вращающаяся структура, хотя она используется для пищеварения, а не приведения в движение: кристаллический тип некоторых двустворчатых и брюхоногих моллюсков. Этот стиль состоит из прозрачного гликопротеинового стержня, который непрерывно формируется в мешочке, выстланном ресничками, и простирается в желудок. Реснички вращают стержень, так что он окутывается нитями слизи. Поскольку стержень медленно растворяется в желудке, он высвобождает пищеварительные ферменты. Оценки скорости вращения стиля in vivo значительно различаются, и неясно, вращается ли стиль непрерывно или периодически.
Есть два известных примера вращения в молекулярном масштабе. структуры, используемые живыми клетками. АТФ-синтаза - это фермент, используемый в процессе хранения и передачи энергии. Он имеет некоторое сходство с флагеллярными двигателями, обсуждаемыми ниже. Считается, что АТФ-синтаза возникла в результате модульной эволюции, в которой две субъединицы со своими собственными функциями стали связаны и приобрели новую функциональность.
Модель основания бактериального жгутика, истинный биологический пример свободно вращающейся конструкции Единственным известным примером биологического «колеса» - системы, способной обеспечивать непрерывный движущий крутящий момент вокруг неподвижного тела - является жгутик, штопор -подобный хвост, используемый одноклеточными прокариотами для движения. бактериальный жгутик является наиболее известным примером. Около половины всех известных бактерий имеют по крайней мере один жгутик, что указывает на то, что вращение на самом деле может быть наиболее распространенной формой передвижения в живых системах, хотя его использование ограничено микроскопической средой.
В основе жгутик бактерий, где он проникает в клеточную мембрану, моторный белок действует как роторный двигатель. Двигатель приводится в действие движущей силой протона, то есть потоком протонов (ионов водорода ионов ) через мембрану бактериальной клетки за счет градиент концентрации, созданный метаболизмом клетки. (У видов рода Vibrio есть два вида жгутиков, боковые и полярные, и некоторые из них управляются ионным насосом натрия , а не протонный насос.) Жгутики довольно эффективны, позволяя бактериям перемещаться со скоростью до 60 клеток в секунду. Роторный двигатель у основания жгутика похож по структуре на АТФ-синтазу. Spirillum бактерии имеют спиральные тела со жгутиками на обоих концах, и они вращаются вокруг центральной оси своего тела, когда они движутся через воду..
Археи, группа прокариот, отделенных от бактерий, также имеют жгутики, известные как архаеллы, управляемые белками вращательных двигателей, которые структурно и эволюционно отличаются от бактериальные жгутики: в то время как бактериальные жгутики произошли от бактериальной системы секреции типа III, архаеллы, по-видимому, произошли от пилей типа IV.
Некоторые эукариотические клетки, такие как протист Эвглена и сперматозоид животного обладают сходящейся, эволюционно отличной от жгутика структурой, известной как ресничка или ундулиподиум. В отличие от бактериальных жгутиков, эти структуры не вращаются в основании; скорее, они изгибаются таким образом, что кончик хлестает по кругу.
Тем не менее, некоторые протисты, возможно, все еще использовали свободное вращение. Navicula, разновидность диатомей, может обладать нетрадиционным механизмом вращения, не связанным с жгутиком.
Отсутствие колес в природе часто объясняется ограничениями, налагаемыми биологией: естественный отбор ограничивает эволюционные пути, доступные для видов, а процессы, с помощью которых многоклеточные организмы растут и развиваются, могут не допускать построение функционирующего колеса.
Иллюстрация ландшафта приспособленности, указывающего на генетический поток популяций к локальным оптимумам. Потенциально полезные изменения, требующие спуска в приспособленную «долину», исключаются естественным отбором. Процессы эволюции, как они понимаются в настоящее время, могут помочь объяснить, почему колесное передвижение не развилось у многоклеточных организмов: проще говоря, сложная структура или система не будет развиваться, если ее неполная форма не принесет пользы организму.
Адаптации производятся постепенно посредством естественного отбора, поэтому крупные генетические изменения обычно распространяются в популяциях, только если они не снижают приспособленность физических лиц. Хотя нейтральные изменения (те, которые не приносят пользы) могут распространяться через генетический дрейф, а пагубные изменения могут распространяться при некоторых обстоятельствах, большие изменения, требующие нескольких шагов, произойдут только в том случае, если промежуточные стадии повысить физическую форму. Ричард Докинз описывает этот вопрос: «Колесо может быть одним из тех случаев, когда инженерное решение можно увидеть на всеобщем обозрении, но оно недостижимо в эволюции, потому что оно находится [на] другой стороне глубокой долины., непреодолимо рассекающий массив Горы Невероятной. " В таком ландшафте пригодности колеса могут располагаться на очень благоприятном «пике», но долина вокруг этого пика может быть слишком глубокой или широкой, чтобы генофонд мог перемещаться по генетическим причинам. дрейф или естественный отбор. Стивен Джей Гулд отмечает, что биологическая адаптация ограничивается работой с доступными компонентами, комментируя, что «колеса работают хорошо, но животные не могут создавать их из-за структурных ограничений, унаследованных как эволюционное наследие».
Таким образом, естественный отбор объясняет, почему колеса - маловероятное решение проблемы передвижения: частично эволюционировавшее колесо, лишенное одного или нескольких ключевых компонентов, вероятно, не принесет организму преимущества. Исключением является жгутик, единственный известный в биологии пример свободно вращающейся двигательной системы; в эволюции жгутиков отдельные компоненты были привлечены из более старых структур, где они выполняли задачи, не связанные с движением. Например, базальное тело, которое сейчас является вращательным двигателем, могло развиться из структуры, используемой бактериями для введения токсинов в другие клетки. Этот набор ранее разработанных структур для обслуживания новых функций называется экстаптацией.
Молекулярный биолог Робин Холлидей написал, что отсутствие биологических колес выступает против креационистов или разумный замысел учитывает разнообразие жизни, потому что разумный создатель, свободный от ограничений, налагаемых эволюцией, должен будет использовать колеса везде, где они могут быть использованы.
Используя человеческие производственные процессы, оказалось, что колесные системы различной сложности довольно просты в сборке, а вопросы передачи энергии и трения оказались решаемыми. Однако неясно, являются ли совершенно разные процессы эмбрионального развития подходящими или даже способными к созданию функционирующего колеса по причинам, описанным ниже.
Сильнейшее анатомическое препятствие для колесных многоклеточных организмов - это интерфейс между статическими и вращающимися компонентами колеса. Как в пассивном, так и в ведомом случае колесо (и, возможно, ось ) должно иметь возможность свободно вращаться относительно остальной части машины или организма. В отличие от суставов животных, которые имеют ограниченный диапазон движения, колесо должно иметь возможность вращаться на произвольный угол без необходимости «разматывать». Таким образом, колесо не может быть постоянно прикреплено к оси или валу, вокруг которого оно вращается (или, если ось и колесо закреплены вместе, ось не может быть прикреплена к остальной части машины или организма). Это требование создает несколько функциональных проблем, хотя они могут быть частично преодолимы.
Скелетная мышца, прикрепленная на каждом конце к кости В случае ведомого колеса, крутящий момент должен быть приложен для создания локомотивной силы. В человеческих технологиях этот крутящий момент обычно создается двигателями, которых существует много типов, включая электрический, с поршневым приводом, с турбинным приводом, пневматический и гидравлический. (Крутящий момент может также обеспечиваться силой человека, как в случае велосипеда.) У животных движение обычно достигается за счет использования скелетных мышц, которые получают свою энергию от метаболизма питательных веществ из пищи. Поскольку эти мышцы прикреплены к обоим компонентам, которые должны перемещаться относительно друг друга, они не могут напрямую управлять колесом. Кроме того, крупные животные не могут производить высокие ускорения, так как инерция быстро увеличивается с увеличением размера тела.
Уменьшение трения жизненно важно для минимизации износа механических компонентов и предотвращения перегрева.. По мере увеличения относительной скорости компонентов и увеличения силы контакта между ними важность уменьшения трения возрастает. Различные типы подшипника и / или смазки могут использоваться для уменьшения трения на границе раздела между двумя компонентами. В биологических суставах, таких как человеческое колено, трение снижается за счет хряща с очень низким коэффициентом трения, а также смазки синовиальной жидкостью., который имеет очень низкую вязкость. Герхард Шольц из Берлинского университета им. Гумбольдта утверждает, что подобная выделенная смазка или мертвый клеточный материал могут позволить биологическому колесу свободно вращаться.
Другая потенциальная проблема, которая возникает на границе раздела между колесом и осью (или осью и телом), - это ограниченная способность организма переносить материалы через этот интерфейс. Если ткани, из которых состоит колесо, являются живыми, они должны быть снабжены кислородом и питательными веществами, а отходы должны быть удалены для поддержания метаболизма. Типичная система кровообращения животного, состоящая из кровеносных сосудов, не сможет обеспечить транспортировку через интерфейс. В отсутствие кровеносных сосудов кислород, питательные вещества и продукты жизнедеятельности должны были бы диффундировать через интерфейс, что было бы сильно ограничено доступными парциальным давлением и площадь поверхности, в соответствии с законом диффузии Фика. Для крупных многоклеточных животных диффузии будет недостаточно. В качестве альтернативы, колесо может состоять из выделяемого неживого материала, такого как кератин (из которого состоят волосы и ногти ).
Колеса имеют механические и другие недостатки в определенных средах и ситуациях, которые будут представлять собой снижение пригодности по сравнению с передвижением на конечностях. Эти недостатки предполагают, что, даже без учета биологических ограничений, обсужденных выше, отсутствие колес в многоклеточной жизни не может быть «упущенной возможностью» биологии, как это сначала кажется. Фактически, учитывая механические недостатки и ограниченную полезность колес по сравнению с конечностями, главный вопрос может быть изменен на противоположный: не «Почему природа не создает колеса?», А, скорее, «Почему человеческие транспортные средства не используют больше конечностей?» " Использование колес, а не конечностей в большинстве спроектированных транспортных средств, вероятно, связано со сложностью конструкции, необходимой для создания и контроля конечностей, а не с постоянным Функциональное преимущество колес перед конечностями.
Жесткое колесо, катящееся по мягкой поверхности и деформирующее ее, что приводит к силе реакции Н, с компонентом, противодействующим движению. (W - вес колеса плюс поддерживаемая часть транспортного средства; F - движущая сила; r - радиус колеса.) Хотя жесткие колеса более энергоэффективны, чем другие средства передвижения при движении по твердой, ровной местности (например, асфальтированным дорогам ) колеса не особенно эффективны на мягкой местности, такой как почва, потому что они уязвимы для сопротивление качению. В сопротивлении качению транспортное средство теряет энергию из-за деформации своих колес и поверхности, по которой они катятся. Колеса меньшего размера особенно подвержены этому эффекту. Более мягкие поверхности деформируются сильнее и реже восстанавливаются, чем твердые, что приводит к большему сопротивлению. Сопротивление качению на средних и твердых почвах может быть в пять-восемь раз больше, чем на бетоне, а на песке - в десять-пятнадцать раз. В то время как колеса должны деформировать поверхность на своем всем пути, конечности вызывают лишь небольшую локализованную деформацию вокруг области контакта ступни.
Сопротивление качению также является причиной по крайней мере одной исторической человеческой цивилизации. отказался от использования колес. Во времена Римской империи колесные колесницы были распространены на Ближнем Востоке и в Северной Африке; однако, когда Империя рухнула и ее дороги пришли в негодность, колеса перестали пользоваться популярностью у местного населения, которое обратилось к верблюдам для перевозки грузов в условиях песчаного пустынного климата. В своей книге «Куриные зубы и конские пальцы» Стивен Джей Гулд объясняет это любопытство истории, утверждая, что из-за отсутствия поддерживаемых дорог верблюдам требовалось меньше рабочей силы и воды, чем телеге, запряженной волами.
При движении в жидкости вращающиеся системы обладают преимуществом в эффективности только при чрезвычайно низких числах Рейнольдса (т. Е. Потоках с преобладанием вязкости), например, в случае бактериальных жгутиков, тогда как колеблющиеся системы имеют преимущество при более высоких (инерционных ) числах Рейнольдса. Принимая во внимание, что судовые гребные винты обычно имеют КПД около 60%, а воздушные винты - примерно до 80% (достигая 88% в Gossamer Condor с приводом от человека), гораздо более высокий КПД в диапазоне 96% –98%, может быть достигнуто с помощью колеблющейся гибкой фольги, такой как рыбий хвост или крыло птицы.
Колеса склонны к пробуксовке - неспособность создать сцепление - на рыхлой или скользкой местности. Поскальзывание тратит впустую энергию и потенциально может привести к потере управления или застреванию, как при движении автомобиля по грязи или снегу. Это ограничение колес можно увидеть в сфере человеческих технологий: в примере биологически вдохновленной инженерии, машины на ногах находят применение в лесозаготовительной отрасли, где они обеспечивают доступ к местности, слишком сложной для движения колесной техники. Гусеничные машины меньше страдают от скольжения, чем колесные, из-за большей площади контакта с землей, но у них, как правило, больший радиус поворота, чем колесные машины, и они менее эффективны и более сложны с точки зрения механики.
A горный козел перемещается по каменистой местности. Горные козы демонстрируют универсальность ног в сложной местности. 
Перевернутый автомобиль. Без артикуляции транспортное средство в таком положении не может само себя выпрямиться. Работа инженера Мечислава Г. Беккера подразумевает, что распределение неровностей на естественной местности логнормальное ; то есть небольшие препятствия встречаются гораздо чаще, чем более крупные. Таким образом, навигация с препятствиями представляет собой проблему для передвижения в естественной местности во всех масштабах. Основное средство навигации с препятствиями на суше - объезжать препятствия и преодолевать их; у каждого есть свои сопутствующие проблемы.
Анатом Майкл Лабарбера из Чикагского университета иллюстрирует плохую маневренность колес, сравнивая радиусы поворота при ходьбе и инвалидная коляска - использующая человека. Как указывает Джаред Даймонд, большинство биологических примеров перекатывания встречается на широко открытой, плотно утрамбованной местности, в том числе использование перекатывания навозными жуками и перекати-поле.
Колеса плохо справляются с вертикальными препятствиями, особенно с препятствиями того же масштаба, что и само колесо, и могут быть неспособны преодолевать вертикальные препятствия высотой более 40% от высоты колеса. Из-за этого ограничения колеса, предназначенные для пересеченной местности, требуют большего диаметра.
Кроме того, без шарнирного сочленения колесное транспортное средство может застрять на препятствии, а препятствие между ними колеса, не позволяя им касаться земли. Конечности, напротив, полезны для лазания и приспособлены для преодоления неровностей местности.
С несочлененными колесами преодоление препятствий приведет к наклону кузова транспортного средства. Если центр масс транспортного средства перемещается за пределы колесной базы или колеи оси, транспортное средство становится статически нестабильным и имеет тенденцию опрокидываться. На скорости транспортное средство может стать динамически нестабильным, то есть его может опрокинуть препятствие, меньшее, чем его предел статической устойчивости, или чрезмерное ускорение или крутой поворот. Системы подвески часто смягчают тенденцию колес транспортные средства переворачиваются, но, в отличие от полностью сочлененных конечностей, они не обеспечивают возможности восстановления после перевернутого положения.
Конечности, используемые животными для передвижения по местности, часто также используются для других целей, таких как хватание, манипулирование, лазание, качание ветками, плавание, копание, прыжки, метание, пинать и ухаживать. Из-за недостатка артикуляции колеса не были бы так полезны в этих ролях, как конечности.
Демон Буэр из издания 1863 года Dictionnaire Infernal Легенды и домыслы раскрывают давнее увлечение человека катящимися и колесными существами. Такие существа появляются в мифах из Европы, Японии, доколумбовой Мексики, США и Австралии.
змея-обруч, легендарное существо в Соединенных Штатах и Австралии, как говорят, хватает свой хвост пастью и катится, как колесо, к своей жертве. В японской культуре есть похожее мифическое существо, Цучиноко. Буэр, демон, упомянутый в гримуаре Псевдомонархии XVI века. Daemonum был описан и проиллюстрирован в Collin de Plancy Dictionnaire Infernal как имеющий радиально расположенные руки, на которых он катился.
Голландский художник-график М. К. Эшер проиллюстрировал катящееся существо своего собственного изобретения в литографии 1951 года. Катящиеся существа также представлены в произведениях, написанных автором комиксов Карлом Барксом, писателями-фантастами Фредериком Брауном, Джорджем Р.Р. Мартином и Джоан Слончевски и в серии видеоигр Sonic the Hedgehog, которая впервые появилась в 1991 году.
Игрушечные животные с колесами, датируемые доколумбовой эпохой, были обнаружен археологами в Веракрусе, Мексика, в 1940-х годах. Коренные народы этого региона не использовали колеса для перевозки до прихода европейцев.
 | Викиисточник содержит оригинальный текст, связанный с этой статьей: Озма из страны Оз |
Несколько писателей двадцатого века исследовали возможности колесных существ. Л. В детском романе Фрэнка Баума 1907 года Озма из страны Оз изображены гуманоидные существа с колесами вместо рук и ног, которых зовут Уилеры. Их колеса состоят из кератина, который был предложен биологами как средство предотвращения проблем с переносом питательных веществ и отходов с помощью живых колес. Несмотря на быстрое передвижение по твердой открытой местности, Уилеры не могут пересекать песок и попадают в тупик из-за препятствий на своем пути, которые не мешают существам с конечностями.
Во второй половине двадцатого века колесные или колесные. существа, изображенные в произведениях писателей-фантастов и фантастов, включая Клиффорда Д. Симака, Пирса Энтони, Дэвида Брина, К. А. Эпплгейт, Филип Пуллман и напарники Ян Стюарт и Джек Коэн. Некоторые из этих работ обращаются к проблемам развития и биомеханических существ с колесами: существа Брина страдают от артрита осей, а Mulefa Пуллмана рождаются не с колесами, а катятся. на семенных стручках, с которыми они совместно эволюционировали.
Портал эволюционной биологии  | В Викиучебнике есть книга на тему: Биомеханика |
