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储存能量的肌腱让小袋鼠弹跳起来——生物策略——AskNature

来源：泰然健康网时间：2024年12月22日 17:33

brown marsupial in tilt shift lens

生物策略

储存能量的肌腱使小袋鼠弹跳起来

塔玛袋鼠

询问自然团队

储存能量

一旦生命系统捕获能量或将一种能量形式转化为另一种能量形式，它就必须经常保存该能量以供将来使用。但能量很难以某些形式储存。因此，生命系统需要快速使用能量或将其从难以存储的形式（例如电能或动能）转换为更容易存储的形式的策略。例如，蚱蜢将能量作为势能储存在肌腱的弹性材料中。当它们需要跳跃时，能量会转化为动能，提供逃避捕食者所需的力量。

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移入/移至固体上

为了获得所需的资源或逃避捕食者，一些生命系统必须在固体物质上移动，一些必须在固体物质内移动，而另一些则必须两者兼而有之。固体的形态各不相同；它们可以是柔软的或多孔的，如树叶、沙子、皮肤和雪，也可以是坚硬的，如岩石、冰或树皮。运动可以涉及整个生命系统，例如在地面上奔跑的鸵鸟或在土壤中挖洞的蚯蚓。它也可能只涉及生命系统的一部分，例如蚊子将其口器刺入皮肤。固体的光滑度、粘性、水分含量、密度等各不相同，每一个都带来不同的挑战。因此，生命系统可以进行适应性调整来应对一个挑战，有时甚至是多个挑战。例如，由于环境的多样性，一些昆虫必须能够抓住粗糙和光滑的叶子表面。

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Lionesses rest with their cubs

动物脊椎动物哺乳动物塔玛袋鼠

哺乳动物

哺乳动物纲（“乳房”）：蝙蝠、猫、鲸鱼、马、人类

哺乳动物仅占地球上所有动物的不到 1%，但其中包括一些最著名的物种。我们直接了解哺乳动物的一些独特特征，例如有毛发、能够出汗以及通过乳腺产奶。另一个重要的共同特征是一组高度专业化的牙齿。例如，与鲨鱼或短吻鳄的牙齿通常大小和形状相同的不同，哺乳动物在下颌的不同区域具有不同形状的牙齿，以针对特定的食物或觅食策略。

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后肢的肌腱利用弹性反冲来提高能量效率。

尽管大多数在地面上奔跑、跳跃或小跑的陆生动物需要消耗更多的代谢能量才能走得更快，但跳跃的塔玛袋鼠可以走得更快，而能量消耗几乎不增加或不增加。此外，雌性塔玛袋鼠可以在育儿袋中携带幼崽的重物，而不会增加其移动成本。这些非凡的壮举很可能是由于小袋鼠后腿中巨大的弹性肌腱储存和恢复弹性能量的结果。在跳跃周期的跳跃、空中阶段，小袋鼠的向前运动代表动能，而回到地面的重力则是势能的一种形式。当脚接触地面时，这些能量转化为拉伸肌腱的弹性应变能。然后，这些能量可以通过肌腱的弹性反冲来恢复，从而帮助将小袋鼠推离地面。肌腱中储存的能量多达 90% 可以回收以供再利用。这种能量回收的关键是附着在肌腱上的肌肉足够坚硬，因此它们在产生力量时长度变化很小。如果肌肉长度变化很大，它们可能会吸收和耗散肌腱的弹性能量，使其无法为下一跳提供动力。

小袋鼠走得越快，负载越重，存储和恢复的弹性能量就越多，因此在正常速度范围内，运动成本可以随着速度或负载的变化而保持不变。许多其他大型奔跑动物（如马和火鸡）也发现了肌腱和弹性能量的使用，但在能量节省方面，其程度不如袋鼠和小袋鼠那样引人注目。目前尚不清楚为什么这些巨足类动物与其他动物相比能节省如此多的能量。在从鱿鱼到海豚的各种游泳动物中也观察到了弹性能量存储作为提高运动效率的手段的一般策略。

在各种移动结构的人体设计中可以考虑使用弹性储能来提高能源效率。 “弹簧加载运动”已被用于弹簧单高跷和一些假肢的设计中。

来自岛屿海滩。

最后更新时间：1年2020月XNUMX日

参考资料

“中型到大型巨足动物可以在跳跃时提高速度，而几乎不增加能量消耗或不增加能量消耗。一些工人将此解释为后肢肌腱弹性能量节省的结果。为此，肌肉纤维必须将力传递到肌腱，而长度变化很小或没有变化。为了测试情况是否如此，我们对塔玛袋鼠腓肠肌外侧肌 (LG) 和跖肌 (PL) 的肌纤维长度变化和肌腱力进行了体内测量尤金大袋鼠他们在跑步机上以不同的速度跳跃。跖肌的肌纤维长度变化小于+/-0.5毫米，腓肠肌外侧的肌纤维长度变化小于+/-2.2毫米，占跖肌总纤维长度的不到2%，腓肠肌外侧的肌纤维长度的变化小于6%。至静止长度。跖肌纤维的长度变化表明这是通过附着的横桥的弹性延伸而发生的。腓肠肌外侧纤维的大部分长度变化发生在站立阶段早期的低力状态下，而在较高的力状态下通常具有等长行为。尽管在 0.05 和 1 m s-6 的速度之间肌肉肌腱力增加了 2.5. 6.0 倍，但纤维长度变化并没有随着任一肌肉跳跃速度的增加而显着变化 (P>1)。 PL 纤维的长度变化仅为 7+/-4%，LG 纤维的长度变化为肌腱计算拉伸的 34+/-12%（平均值 +/-SD，N=170），导致几乎没有净功任一肌肉（跖肌 0.01+/-0.03 J；腓肠肌 -0.04+/-0.30 J；平均值 +/- SD）。相比之下，存储在肌腱中的弹性应变能随着速度的增加而增加，平均比两块肌肉所做的缩短功大 20 倍。这些结果表明，存储在后肢肌腱内的应变能的增加量可以在更快稳定的跳跃速度下有效地恢复，而不会因肌肉纤维拉伸的增加而消散。这一发现支持这样的观点，即肌腱弹性能量节省是该物种能够以更快的速度跳跃而几乎不增加代谢能量消耗的重要机制。” （比维纳等人，1998：1681）