Неліктен жәндіктердің алты аяғы бар?

Жануарлар әлемі өз өкілдерінің дене формалары мен құрылысының алуан түрлілігімен таң қалдырады. Аяқ-қолдар саны жыландардағы толық болмауынан көпаяқтылардағы жүздеген аяқтарға дейін өзгереді. Буынаяқтылар сегіз аяқты өрмекшілер мен он аяқты шаян тәрізділерді қоса алғанда, ерекше кең спектрді көрсетеді. Алайда планетадағы ең көп санды класс — жәндіктер — әрқашан дәл үш жұп аяққа ие. Бұл ерекшелік соншалықты іргелі, сондықтан жіктеу кезінде негізгі белгілердің бірі болып қызмет етеді. Эволюция барысында дәл осындай аяқ санының бекітілуіне қандай себептер әкелгенін анықтайық.

Алты аяқтылықтың эволюциялық шығу тегі

Жәндіктер класының қалыптасу тарихы шамамен 400 миллион жыл бұрынғы девон кезеңіне кетеді. Қазіргі өкілдердің арғы аталары көбірек сегменттерге ие болған буынаяқтылардың ортақ діңінен бөлініп шықты. Артық дене бөліктерінің біртіндеп редукциясы ықшам үш бөлікті ұйымдастыруға алып келді.

Ежелгі қазбалар әртүрлі санда қосымшалары бар өтпелі формалардың болғанын куәландырады. Табиғи сұрыптау қозғалғыштық пен энергия шығынының оңтайлы арақатынасы бар даралардың пайдасына жұмыс істеді. Алты аяқ құрлықтағы өмір салты үшін тамаша ымыраға айналды.

Қазіргі құрылысқа эволюциялық жол бірнеше негізгі кезеңдерді қамтыды:

1. Арғы ата формаларының дене сегментациясы дененің әр буынында бір жұп қосымшаның болуын болжады. Ерте буынаяқтылар ондаған бірдей сегменттері бар қазіргі көпаяқтыларға ұқсас еді. Әрбір аяқ жеке бұлшықет пен жүйке байланыстарын талап етті.
2. Сегменттердің үш бөлімге бірігуі бас, кеуде және құрсақтың қалыптасуына алып келді. Аяқтар тек кеуде буындарында сақталды, ал бастағылар ауыз органдарына айналды. Құрсақ қосымшалары толығымен жоғалды немесе көбею құрылымдарына түрленді.
3. Кеуде сегменттерінің мамандануы алдыңғы, ортаңғы және артқы жұптар арасында функциялардың бөлінуін бекітті. Әрбір кеуде буыны тәуелсіз басқару үшін өз бұлшықетіне ие болды. Мұндай ұйымдастыру локомоторлық аппараттың икемділігін қамтамасыз етті.
4. Құрылыс жоспарының генетикалық бекітілуі сегменттер дамуын бақылайтын гомеозистік гендердің арқасында орын алды. Осы реттеушілердегі мутациялар типтік емес жерлерде аяқтардың пайда болуына әкеледі. Генетикалық бағдарламаның тұрақтылығы алты аяқты жоспардың жаңғыруына кепілдік береді.

Миллиондаған жылдық сұрыптау конструкцияны жетілдіріп, оның тиімділігін ең алуан жағдайларда дәлелдеді.

Үш жұптың биомеханикалық артықшылықтары

Алты аяқ жылжу кезінде тұрақтылық пен маневрлілік арасында оңтайлы тепе-теңдікті қамтамасыз етеді. Тұрақты жағдай үшін тірек нүктелерінің ең аз саны үшбұрыш құрайтын үшеу болып табылады. Жәндіктер жүру кезінде осындай екі үшбұрыштың кезекпен алмасуын пайдаланады.

Бұл принцип «триподальды жүріс» деп аталып, биомеханиканың шедеврі болып табылады. Бір мезгілде үш аяқ ауада болады, ал қалғандары тірек қамтамасыз етеді. Топтар арасында ауысу біркелкі және үздіксіз жүреді.

Мұндай жүйенің механикалық артықшылықтары бірнеше аспектіде көрінеді:

• тұрақтылыққа қадам циклінің кез келген сәтінде беткеймен жанасатын үш нүкте кепілдік береді. Ауырлық орталығы әрқашан тірек үшбұрышының ішінде орналасып, аударылуды болдырмайды. Тіпті тегіс емес рельефте тіршілік иесі қосымша күшсіз тепе-теңдікті сақтайды;
• жылжу жылдамдығына бір тактіде қайта орналастырылатын аяқтар санының азайтылуы арқасында қол жеткізіледі. Алты аяқты үйлестіру көпаяқтылардағы ондағандарын басқаруға қарағанда қарапайым. Жүйке жүйесі салыстырмалы түрде кішкентай мимен тапсырманы орындай алады;
• энергия тиімділігі жүктемені тірек элементтері арасында оңтайлы бөлумен қамтамасыз етіледі. Артық аяқтар пропорционалды ұтыссыз өз күтіміне ресурстар жұмсайтын еді. Үнемдеу жоғары метаболизмі бар ұсақ тіршілік иелері үшін аса маңызды;
• маневрлілікті әр жұпты тәуелсіз басқару мүмкіндігі қамтамасыз етеді. Кенет бұрылулар бір жақты екіншісіне қатысты тежеу арқылы жүзеге асырылады. Артқа және бүйірге қозғалыс бүкіл дененің бұрылуын талап етпейді.

Инженерлер алты аяқты роботтар-вездеходтар жасау үшін жәндіктердің локомоция принциптерін белсенді зерттеуде.

Аяқтардың функционалдық мамандануы

Үш жұп аяқ түрдің өмір салтына сәйкес әртүрлі бейімделулер ала отырып, сирек толығымен бірдей болады. Алдыңғы аяқтар жиі жемді ұстауға немесе заттармен манипуляцияларға қызмет етеді. Артқылары жиі секіруге немесе жүзуге мамандандырылады.

Функцияларды бөлу бір организмге әртүрлі тапсырмаларды сәтті орындауға мүмкіндік береді. Конструкцияның әмбебаптығы жеке элементтердің терең мамандану мүмкіндігімен үйлеседі. Эволюция базалық жоспардың таңғажайып алуан түрлі модификацияларын тудырды.

Функционалдық дифференциация мысалдары бейімделу мүмкіндіктерінің кеңдігін көрсетеді:

1. Сайысқан тәрізділер алдыңғы жұпты өткір тікенектері бар қуатты ұстағыш органдарға айналдырды. Ортаңғы және артқы аяқтар тек тірек функциясын орындайды. Алдыңғы аяқтардың найзағайдай лақтырылуы сәтті аңшылықты қамтамасыз етеді.
2. Шегірткелер артқы аяқтарды орасан қуаттағы секіру аппаратына дамытты. Ұзартылған сандар денені өз өлшемінен бірнеше есе асатын биіктікке лақтыруға қабілетті бұлшықетті қамтиды. Алдыңғы және ортаңғы жұптар қарапайым жүретін болып қалады.
3. Су қоңыздары артқы аяқтарды кеңейтілген жалпақ буындары бар ескектерге айналдырды. Шеттеріндегі түктер қозғалыс кезінде есу бетінің ауданын арттырады. Жүзу мамандануы құрлықта жылжуға кедергі келтірмейді.
4. Аралар артқы аяқтарды тозаң жинауға арналған себеттермен жабдықтады. Қатты түктерден жасалған щеткалар қоректік ұнтақты денеден арнайы ойықтарға сыпырып алады. Толы себеттер ұяға оралатын жұмысшыларда жақсы көрінеді.
5. Қазушы жәндіктер алдыңғы аяқтарды жер асты жолдарын қазуға арналған күрек тәрізді етіп кеңейтті. Қуатты тісті шеттер топырақты тиімді жұмсартады. Маса алақайы ең жетілген қазу бейімделулерінің бірін көрсетеді.

Базалық конструкцияның икемділігі планетаның іс жүзінде барлық экологиялық қуыстарын игеруге мүмкіндік берді.

Қозғалысты нейрондық басқару

Алты аяқты үйлестіру кеуде сегменттерінің ганглийлерінде жүзеге асырылған тиімді бақылау жүйесін талап етеді. Әр жұп аяқ салыстырмалы түрде автономды жұмыс істей алатын өз жүйке түйінімен басқарылады. Бас миы әр қадамды бақыламай, жалпы бағытты белгілейді.

Жүйке жүйесінің орталықсыздандырылған архитектурасы жергілікті тітіркендіргіштерге жылдам реакция жасауды қамтамасыз етеді. Рефлекторлық доғалар орталық бөлімдердің қатысуынсыз сегменттік ганглийлер деңгейінде тұйықталады. Бір аяқтың зақымдануы қалғандарын сал қылмайды.

Нейрондық ұйымдастыру принциптері бірнеше деңгейді қамтиды:

• орталық паттерн генераторлары қадам фазаларын кезектестіру үшін ырғақты сигналдар шығарады. Бұл нейрондық контурлар тіпті мидан оқшауланған күйде локомоторлық белсенділік генерациялауға қабілетті. Базалық ырғақ сенсорлық кері байланыспен модуляцияланады;
• сегментаралық үйлестіру келісілген қозғалыс үшін үш кеуде ганглийінің жұмысын синхрондайды. Арнайы интернейрондар цикл фазасы туралы ақпаратты көршілес бөлімдерге жібереді. Нәтиже біркелкі триподальды жүріс болады;
• сенсорлық түзету қозғалыстарды бет ерекшеліктері мен кедергілерге бейімдеуге мүмкіндік береді. Буындардағы механорецепторлар аяқтың орны мен сыртқы әсерлер туралы хабарлайды. Лездік баптау саналы бақылаусыз орын алады;
• бас миынан түсетін бақылау локомоцияның бағытын, жылдамдығы мен сипатын анықтайды. Жоғарғы орталықтар режимдерді жүруден жүгіруге немесе ұшуға ауыстыра алады. Мінез-құлықтың жалпы стратегиясы сенсорлық ақпарат негізінде қалыптасады.

Басқару жүйесінің қарапайымдылығы мен сенімділігі автономды робототехникалық платформалар әзірлеушілерін шабыттандыруда.

Басқа құрылыс жоспарларымен салыстыру

Аяқ санының балама нұсқалары буынаяқтылардың туыс топтарында бар. Өрмекшілер сегіз аяқпен жүреді, шаян тәрізділер онға ие, ал көпаяқтылар — ондаған жұпқа. Әр схеманың өз артықшылықтары мен шектеулері бар.

Әртүрлі құрылыс жоспарларын салыстыру алты аяқты ұйымдастырудың бірегейлігін түсінуге көмектеседі. Жәндіктердің табысы барлық қалған топтарды біріктіргеннен де асатын миллиондаған сипатталған түрлермен өлшенеді. Сандық басымдық эволюциялық оңтайлылықты куәландырады.

Салыстырмалы талдау әр нұсқаның сипаттамалық ерекшеліктерін анықтайды:

1. Өрмекшітәрізділердің сегіз аяғы салыстырмалы түрде ірі дене өлшемдері кезінде тамаша тұрақтылықты қамтамасыз етеді. Қосымша жұп жемді және пілләларды тасымалдау үшін жүккөтергіштікті арттырады. Алайда өкілдердің көпшілігі ұшу қабілетін жоғалтқан.
2. Он аяқты шаян тәрізділер негізінен су ортасында өмір сүруге бейімделген. Қосымша аяқтар қысқыштарға, жүзу немесе тыныс алу қосымшаларына түрленген. Мокрица сияқты құрлық формалары функционалдық аяқтар санын қайталама қысқартты.
3. Көпаяқтылар көптеген бір типті сегменттері бар қарабайыр жоспарды сақтады. Ондаған аяқтың толқын тәрізді үйлестірілуі күрделі жүйке реттеуін талап етеді. Жылжу жылдамдығы дәйекті белсендіру қажеттілігімен шектеледі.
4. Алты аяқты жәндіктер қозғалғыштық, өлшем және энергия шығындары арасында оңтайлы тепе-теңдікке жетті. Локомоциядан босаған кеуде сегменттері ұшатын формаларда қанаттар көтере алады. Жүйке жүйесінің ықшамдылығы микроскопиялық өлшемдерге дейін миниатюризацияға мүмкіндік береді.

Шешімдердің алуан түрлілігі мекендеу ортасының сын-қатерлеріне жалғыз дұрыс жауаптың жоқтығын көрсетеді.

Алты аяқ жүздеген миллион жылдық табиғи сұрыптаумен тексерілген эволюциялық оңтайландырудың керемет мысалын білдіреді. Жәндіктердің табысы осы конструкцияның тиімділігін жағдайлардың керемет алуан түрлілігінде дәлелдейді. Биомеханика мен нейрондық бақылауды зерттеу робототехника үшін құнды идеялар әкелуді жалғастыруда. Табиғат таңдану мен мұқият зерттеуге лайық жетілген механизм жасады.