Подчиняется ли движение животных с его огромным многообразием форм какому-либо общему принципу? Термодинамический анализ, проведенный профессором Сколтеха Хенни Уэрданом и его французскими коллегами из университета Париж-Дидро, университета Париж-Сакле и Национального музея естественной истории, показал, как и почему минимизация продуктов жизнедеятельности имеет большее значение, чем повышение энергоэффективности, когда речь идет о свободном движении независимо от его форм и скорости. Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review Letters.
«Движение - это отличительное свойство жизни животных, − отмечает профессор Сколтеха Хенни Уэрдан, − и поэтому оно будоражило умы великих ученых еще со времен Аристотеля». Профессор Уэрдан добавил: «В конце XIX века Эдвард Мейбридж изобрел зоопраксископ. Это устройство для проецирования фильмов, ставшее предшественником пленочных кинопроекторов, завораживало толпы, поскольку с его помощью можно было запечатлеть движение живых существ и воочию наблюдать всю красоту и сложность биомеханики; вполне естественно, что вскоре начали сравнивать движение природных систем и машин, созданных человеком, но даже это не помогло достигнуть желаемого понимания того, как устроена жизнь».
Когда речь идет о машинах, созданных руками человека, обязательным условием экономии ресурсов является обеспечение максимальной эффективности преобразования энергии. Но можно ли утверждать, что этот же принцип лежит в основе свободного движения животных? Ответ на данный вопрос представляет собой сложную задачу, учитывая многообразие форм жизни и сред их обитания. Вполне естественно, что, находясь в стрессовой ситуации, например, преследуя добычу или, наоборот, спасаясь от погони, животное вынуждено максимально использовать свои силы, а вот свободное движение, по-видимому, не подчиняется никакому четко определенному принципу. Фактически, в вопросах о том, какое именно взаимодействие существует между управлением энергией и движением и как конкретно оптимизируются затраты энергии при разных видах движения, никогда не было полной ясности.
Профессор Уэрдан и его главный соавтор профессор Кристоф Гупиль ранее уже интенсивно исследовали неравновесные процессы в преобразователях энергии; однако переход к принципиально новому этапу − изучению физических основ жизни – оказался серьезным вызовом для ученых. Действительно, сама по себе формулировка общих принципов создания компактной модели движения очень сложных систем, таких как живые организмы, представлялась непосильной задачей. «Безусловно, в литературе можно найти огромное количество работ по этой тематике, однако большинство моделей опираются на большие наборы подходящих параметров для воспроизводства лишь части наблюдаемых параметров энергии, затрачиваемой на движение мышц, а это не позволяет получить четкое представление о механизмах термодинамических процессов. Кроме того, базовая модель мышечных движений была создана на основе оригинальных работ по исследованию фрагментов мышц мертвых животных, хотя важно понимать, как происходит преобразование химической энергии в механическую у живых организмов», − поясняет профессор Гупиль.
Первым шагом на пути к термодинамической модели движения стало создание адекватной модели преобразования энергии метаболизма в мышцах живых организмов. Это работа, опубликованная в New Journal of Physics в 2019 году профессором Уэрданом и его коллегами, подчеркнула необходимость строгого подхода к рассмотрению конкретных условий, в которых оказывается живая мышца под воздействием нагрузки, а также изучения эффектов обратной связи, связанных с интенсивностью метаболизма. Результаты, описанные в этой работе, ликвидировали огромный разрыв между моделями инертных мышц и моделями живых мышц реальных животных.
«В нашей последней работе мы впервые ввели понятие энергетических затрат на физические усилия и сформулировали фундаментальный экстремальный принцип неравновесной термодинамики движения животных: свободное движение минимизирует производство продуктов метаболизма. Мы использовали опубликованные экспериментальные данные о разных темпах движения с разными биомеханическими режимами: ходьба, рысь и галоп. Наша модель позволила выявить определенные закономерности и расширить представление о движении всех видов животных», − подчеркивает профессор Уэрдан.
Данная работа ученых внесла существенный вклад в понимание движения в любой среде (на земле, в воздухе, в воде) вне зависимости от конкретного вида животных и его происхождения. Интересно, что проведенное исследование проливает свет на естественный принцип движения, который может способствовать инновационному проектированию малоотходных технологий будущего. Полученные результаты могут также использоваться в биоинспирированной робототехнике при решении задач, связанных, в частности, с проприоцепцией и переменным механическим импедансом исполнительных устройств, которые, в свою очередь, могут способствовать дальнейшему развитию физических теорий жизни.
