Скелет насекомых находится снаружи, а не внутри их тел. Скелет насекомых находится снаружи, а не внутри их тел Экзоскелет животных
Скелет этого типа - характерная особенность членистоногих. Экзоскелет (кутикула) секретируется эпидермисом; он не содержит клеток и состоит в основном из хитина . Это твердый наружный покров тела, который построен из сочлененных между собой пластинок или трубчатых образований. Трахеи, передний (стомодеум) и задний (проктодеум) отделы пищеварительного тракта тоже выстланы хитином. Хитин - прочный, легкий материал, однако он может приобретать твердость при встраивании в него "задубленных" белков или при обызвествлении (особенно у водных ракообразных). В участках скелета, которые должны сохранять подвижность, например в местах сочленения пластинок, хитин остается неизмененным. Такая конструкция из пластинок или трубочек, соединенных гибкими пленками, обеспечивает одновременно и защиту, и подвижность.
Членистоногие - это единственная группа беспозвоночных, имеющая членистые конечности, которые состоят из рычагов, соединенных подобием шарниров. Эти рычаги приводятся в движение мышцами-сгибателями и разгибателями, прикреплен-ными к внутренним выступам экзоскелета (рис. 17.1). Поскольку хитин проницаем для воды, наземным членистоногим, таким как насекомые, могло бы грозить высыхание. Однако этого не происходит благодаря эпикутикуле - воскоподобному слою, который секретируется железистыми клетками эпидермиса и через протоки выводится на поверхность (рис. 4.33). Таким образом, экзоскелет не только служит опорой и защитой для внутренних органов, но и предохраняет тело от обезвоживания.
Для таких мелких животных, как большинство членистоногих, экзоскелет из полых трубчатых элементов служит очень удобной опорной и локомоторной структурой; трубка может, не сгибаясь, выдерживать значительно большие нагрузки, чем плотный цилиндр той же массы. Однако с увеличением размеров и веса животного такая организация становится менее удобной - для сохранения достаточной прочности толщина и масса экзоскелета должны были бы возрасти настолько, что он в конце концов оказался бы слишком тяжелым и громоздким.
Рост происходит при линьках - у насекомых на ювенильных стадиях (личинки или нимфы), а у ракообразных и во взрослом состоянии. В определенное время старый экзоскелет сбрасывается (линька) и обнажается новый - мягкий и растяжимый. Животное растет, пока новая кутикула еще не затвердела, благодаря ее способности растягиваться и увеличиваться в размере, что часто сопровождается также изменением формы. В конце концов новый экзоскелет становится жестким, но до того момента животное уязвимо для хищников. В этот период скелет не способен поддерживать вес тела и всякого рода движения практически невозможны. Для водных животных подобная проблема не столь серьезна, так как вода помогает им поддерживать вес тела, однако в период линьки и водные, и наземные животные, как правило, прячутся в укрытиях, чтобы уменьшить опасность быть схваченными хищником. Линька - это процесс, требующий значительных затрат энергии (в первую очередь на построение нового экзоскелета) и сопряженный с потерей материала при сбрасывании старой кутикулы.
Тертые сверчки, добавляемые в еду, успокаивают иммунитет и улучшают кишечную микрофлору.
Многие знают библейское выражение «питаться акридами и диким медом», что в иносказательном смысле означает жить впроголодь, вести суровый образ жизни – еще бы, ведь акридами в Библии называют некую съедобную саранчу. И хотя сейчас, как мы знаем, в традиционной кухне у многих народов есть разнообразные «акриды», нам кажется, что есть насекомых можно только с очень большой голодухи.
Однако, как пишут в Scientific Reports
исследователи из Висконсинского университета в Мадисоне , такой рацион может быть вполне полезен для здоровья – как раз благодаря «акридам». В эксперименте участвовали два десятка здоровых мужчин и женщин в возрасте от 18 до 48 лет, которые либо ели на завтрак ели обычную еду, либо же им в маффины и молочные коктейли подмешивали растертых в порошок сверчков.
Через две недели все менялось: те, которые ели до этого обычный завтрак, теперь получали еду со сверчками, а те, которые ели еду со сверчками, на следующие две недели получали обычные завтраки. У всех у них брали анализы крови, пробы кишечной микрофлоры и еще подробно расспрашивали о гастрономических привычках, и все это проделывали трижды: в начале эксперимента, в середине (то есть когда меняли нормальные завтраки на сверчковые и обратно) и в конце. Пока исследователи делали анализы, они не знали, какие пробы какому человеку принадлежат.
По личным ощущениям добровольцев, сверчковый порошок никаких побочных эффектов в пищеварении не вызвал. Притом после еды со сверчками в крови у них становилось меньше белка TNF, про который известно, что он стимулирует воспаление – то есть диета с порошком из насекомых успокаивала иммунитет. Также после сверчков повышалась активность одного фермента, который считается признаком здорового кишечника, а в самом кишечнике становилось больше полезной бактерии Bifidobacterium animalis , улучшающей пищеварение.
В эксперименте участвовало немного людей, и результаты хорошо бы подтвердить в исследованиях с более мощной статистикой. И желательно также выяснить, что именно в сверчках делает их полезными. Впрочем, можно предположить, что тут все дело в хитине – природном полисахариде, который образует экзоскелет насекомых.
Хитин – химический родственник растительных пищевых волокон, которые тоже представляют собой природные полисахариды. Растительные волокна служат пищей для кишечной микрофлоры, которая при этом выделяет разные полезные веществ – именно поэтому диетологи советуют есть побольше овощей и фруктов. Хитин, конечно, все-таки отличается от растительной клетчатки, но, возможно, наши кишечные бактерии могут питаться и им тоже – к обоюдной пользе для них и для нас.
Про еду из насекомых сейчас часто вспоминают в свете экологических проблем, которые сопутствуют обыкновенному животноводству. В насекомых есть все необходимые питательные вещества, притом выращивать их порой проще и не требует так много энергетических затрат, как разведение домашнего скота.
Впрочем, даже если у них найдут еще какую-нибудь пользу, вряд ли сверчковые, саранчовые или термитные фермы в скором времени заменят скотоводческие хозяйства; с другой стороны, едим же мы раков и креветок, а ведь они ближе к насекомым, нежели к свиньям и коровам.
Конструкцию экзоскелета люди подсмотрели у насекомых. И как показывает практика, экзоскелет увеличивает физические способности человека в разы. Точно так же внешний скелет работает и у насекомых. Но как же крепятся к такому скелету мускулы, и что защищает органы?
Несмотря на фактическое наличие скелета, насекомые относятся к классу беспозвоночных. Скелет человека, как и множества млекопитающих, расположен внутри тела и включает в себя позвоночник, рёбра и конечности. К скелетным костям крепятся мышцы, которые приводят его в движение. Насекомые же «вывернуты наизнанку».
Как комары убили 52 000 000 000 человек?
Экзоскелеты увеличивают силу человека, повышают производительность и возвращают утерянные способности. Они помогают инвалидам, облегчают труд в промышленности и совершенствуют армию.
Что такое экзоскелет
В дословном переводе с греческого экзоскелет – это внешний скелет. Автоматическая конструкция, которая восстанавливает утраченные или усиливает имеющиеся функции тела.
Он состоит из прочного каркаса и приводов, которые отвечают за перемещения. Такие системы дублируют работу опорно-двигательного аппарата, рассчитывают усилия и безопасность движений.
Экзоскелеты делают пассивными и активными. Первые не увеличивают силу и не забирают на себя физическую нагрузку, а распределяют её по телу. У активных моделей есть свой упор на земле. Они берут часть нагрузки на себя. Так пользователь поднимает больше тяжестей – получается эффект увеличения силы.
Первые экзоскелеты
Идеи о костюме, который повышает способности, зародились в фантастике. Принципы на эту тему сформулировал русско-американский инженер-механик Николай Ягн. Правда, дальше теории дело не пошло. Единственная воплощённая задумка – автоматический прибор, подающий воду в паровые котлы – «Друг кочегара».
Первый экзоскелет сделали в Пентагоне. Он назвался – Hardiman. Это был станок с большим манипулятором, в который нужно было вставлять руку для управления. Его грузоподъёмность была 110 кг, но Hardiman не принёс серьёзной пользы. Он был слишком большим и тяжёлым (680 кг).
С 1980-х – появились перспективные проекты. В 1990-х началось производство в разных странах. Костюмы по-прежнему были неуклюжими, но приближались к тому, чтобы использоваться в жизни.
Сейчас большая часть экзоскелетов делается для медицины, армии или промышленности.
Экзоскелеты для инвалидов
Ekso GT
Экзоскелет для реабилитации после инсульта и травм спинного мозга. Ekso GT – это пара роботизированных ног с костылями для ходьбы. Встроенное ПО собирает статистику о том, сколько энергии уходит на каждое движение робота, а какие действия человек выполняет сам.
Hybrid Assistive Limb (HAL)
Есть для ног (HAL 3) или для рук-ног-торса (HAL 5). Помогает поднять груз в 5 раз больше, чем может человек. Нужен для реабилитации парализованных. Приводы этого экзокостюма работают от импульсов мускул. Кроме людей с проблемами здоровья, HAL полезен пожилым, строителям, работникам МЧС.
REX
Скелет для людей с дисфункцией ног. Он помогает ходить, вставать, садиться, подниматься по лестнице, двигаться назад и даже делать «лунную походку». Пользователь управляет им с контрольной панели и джойстика.
REX может убрать осложнения, связанные с долгим пребыванием в инвалидном кресле.
Phoenix
Экзокостюм для свободной ходьбы при параличе ног. Сильно отличается от громоздких моделей прошлого десятилетия по размеру и весу (12 кг). Это возможно из-за использования только двух приводов на бёдрах. Колени поддерживаются в нужном положении за счёт систем натяжения.
eLegs
Экзоскелет для людей с параличом или нарушениями работы ног. Масса – 20 кг. Подходит для человека с ростом 157-193 см. Скорость движения – около 3 км/ч.
Костюм предугадывает действия за счёт датчиков наклона, например, помогает встать с инвалидного кресла, когда пользователь подаётся вперёд и опирается на костыли.
ReWalk
Бионический экзокостюм для пациентов с параличом ног. Он помогает стоять, ходить, идти вверх по лестнице. Управление ведётся через пульт в руке.
Военные экзоскелеты
Министерства обороны и военно-исследовательские институты разных стран ещё с прошлого века пытаются разработать лёгкую, простую и прочную систему для солдат.
В Пентагоне этим занимается агентство перспективных разработок DARPA, в России – институты и инженерные бюро, действующие по заказу Минобороны. Схожие проекты ведутся в Китае, Японии, Израиле, европейских странах.
XOS 2
Один из самых известных экзоскелетов для армии. Его задача – увеличение физических способностей солдата. Броня в снаряжение не включена.
Костюм помогает в логистике и штурмах. Он прибавляет сил, достаточных для переноса больших тяжестей, разрушения деревянных брусов и кирпичных стен.
Talos
Это комплексный костюм. У него есть функции брони и системы, увеличивающей силу. Он помогает вести бой со снаряжением до 45 кг. Костюм отслеживает жизненные показатели и даже останавливает кровотечение.
Состав и конкретные характеристики оборудования обычно не публикуются – Talos показывают на тематических выставках с общей презентацией.
ExoHiker
Этот скелет не позиционируется как армейский, но интересен для военных. Его задача – облегчить перенос тяжёлых рюкзаков во время похода. ExoHiker весит 14 кг, но снимает нагрузку 70 кг. На одном заряде без подключения солнечной батареи он проходит 65 км со скоростью около 4 км/час.
Промышленные экзоскелеты
H-Lex
Аппарат для подъёма тяжестей от Hyundai. Он подходит для маломобильных людей, но неудобен из-за больших габаритов. Поэтому основной упор сделан на работу в промышленности. Там, где приходится поднимать до 60 кг.
Chairless Chair
Этот экзостул для тех, кто работает на ногах. Он снимает напряжение в мышцах, когда нужно долго находиться в полуприседе, сидеть на корточках или стоять. Удобно для работы в цеху, на упаковочной линии, кухне, парикмахерской. Аппарат гибкий и подвижный.
Exosuit
Разработка для водолазов, которая помогает выдержать давление воды и низкую температуру на глубине 300 метров. По сути, это усиленный водолазный костюм весом в 240 кг с четырьмя двигателями.
MS-02 PowerLoader
Роботизированный костюм для многих задач. Разработчики предлагают использовать его в спасательных операциях, где нужно поднимать объекты массой до 100 кг.
В системе есть несколько манипуляторов, а в подошвах «ног» расположены датчики. Они анализируют нагрузку на человека в шести векторах и рассчитывают, сколько машинных усилий нужно приложить для помощи.
MAX SuitX
Экзоскелет для грузчиков. Конструкция дублирует опорно-двигательный аппарат, убирая с него часть нагрузки. Она постоянно висит на человеке в деактивированном состоянии, но автоматически распознаёт момент начала работы и включается.
Assist Suit AWN-03
Силовой экзоскелет от Panasonic для складских рабочих. Он закрепляется на плечах, бёдрах и пояснице. Основная задача – убирать нагрузку с позвоночника и мышц спины во время переноса тяжестей.
Российские экзоскелеты
ЭкзоАтлет
Российская разработка для реабилитации пациентов с проблемами ног и спинного мозга. Один из пилотов и амбассадоров ЭкзоАтлета – параолимпийский чемпион по кёрлингу на колясках Виталий Данилов.
Промышленный экзокостюм от разработчиков из Перми. По расчётам, он увеличивает производительность труда в машиностроительной, строительной и аварийно-спасательной работах в 2-5 раз.
ExoBelt
Пассивный экзоскелет от компании «ЭкзоАтлант». Проект пока в стадии разработки. Предполагается, что он снимет до 40% нагрузки со спины во время переноса тяжестей.
Первым партнёром компании станет «Сбербанк». Экзоскелет будут тестировать сотрудники, которые переносят мешки с золотом и другими ценностями
Экзоскелеты будущего
Индустрия растёт: аппараты уменьшаются в размерах, функции становятся шире. Появляются модели не только для медицины, промышленности или армии:
ARAIG
Экзоскелет-контроллер для геймеров. Он создан не для переноса грузов или повышения способностей. Этот костюм погружает пользователя в игровую реальность: меняет температуру, имитирует попадание снарядов, контакт с землёй и препятствиями.
Костюм, разработанный Североатлантическим Космическим Агентством для космонавтов. Он нужен для работы с большими тяжестями в условиях невесомости.
У аппарата четыре привода на коленях и бёдрах и шесть сочленений. Разработчики планируют добавить ещё. Костюм подходит для работы на МКС и поддержки мышечного тонуса в невесомости – он отправляет данные о космонавтах медикам на Землю.
Где купить экзоскелет и сколько он стоит
Цена материалов делают экзоскелеты дорогими. Например, российский ЭкзоАтлет стоит больше 1 млн рублей. Костюмы иностранного производства на порядок дороже. Например, REX P – 9,5 млн рублей.
Постепенно появляются производители с менее низкими ценами. Так, Cyberdyne выпускает HAL для рук, ног и всего туловища, которые можно купить от $4 200.
Цену на аппараты лучше узнавать на сайтах производителей, но для общей информации подойдут и эти ресурсы:
- TIU
). Связывание хитина с другими химическими соединениями может привести к изменению свойств экзоскелета. При добавлении минеральных солей , например (особенно солей кальция), экзоскелет может стать более твердым, как у ракообразных. Такое же действие оказывает и белок. Это создает возможность широкого разнообразия экзоскелетов по твердости, эла-
Другое важное питательное вещество , кремний, используется диатомеями (группа фитопланктона) для построения их экзоскелета. Диатомеи способны к быстрому и обильному росту в богатых питательными веществами условиях. В реках умерен-
Многие полисахариды служат внеклеточными опорными элементами в стенках клеток одноклеточных микроорганизмов и высших растений, а также на внешней поверхности клеток животных. Другие полисахариды входят в состав соединительной ткани позвоночных и экзоскелета членистоногих. Структурные полисахариды защищают клетки, ткани и органы, придают им форму и поддерживают ее.
Прочные нерастворимые панцири, или экзоскелеты, омаров, крабов, а также многих насекомых построены в основном из полисахарида хитина -линейного полимера , образованного остатками М-ацетил-О-глюкозамина , которые соединяются друг с другом Р-связями
Наличие экзоскелета сопряжено с двумя неблагоприятными последствиями.
Ограничены окончательные размеры тела , поскольку, как уже говорилось в предьщущем разделе, по мере увеличения размеров тела соотношение площадь поверхности объем снижается. Размеры экзоскелета зависят от площади поверхности , тогда как масса животного зависит от объема. Членистоногое размером со слона либо было бы неспособно поддерживать свою собственную массу, либо экзоскелет должен бьш бы быть столь массивным, что животное не смогло бы сдвинуться с места. (Другое важное ограничение, накладываемое на размеры насекомых, связано с механизмом дыхания, осуществляемого главным образом
Рост происходит при линьках - у насекомых на ювенильных стадиях (личинки, нимфы), а у ракообразных и во взрослом состоянии. В определенное время старый экзоскелет сбрасывается (линька) и обнажается новый - мягкий и растяжимый . Животное растет, пока новая кутикула еще не затвердела, благодаря ее способности растягиваться и увеличиваться в размерах, что часто сопровождается также изменением формы. В конце концов новый экзоскелет становится жестким. Но до того момента животное уязвимо для хищников. В этот период скелет не способен поддерживать массу тела , и всякого рода движения практически невозможны. Для водных видов подобная проблема не столь серьезна, так как вода помогает им поддерживать массу тела , однако в период линьки и водные, и наземные животные, как правило, прячутся в укрытиях, чтобы уменьшить опасность быть схваченными хищником.
Он находится внутри тела, и мышцы располагаются снаружи от него (в отличие от экзоскелета, в котором мышцы прикреплены и расположены внутри него).
Насекомые обладают экзоскелетом, связь которого с мышцами и локомоцией рассматривается в разд. 18.1.3.
Этот способ передвижения обеспечивается координированной работой трех пар конечностей (ходильных ног) - по одной паре на каждом из трех грудных сегментов. Каждая нога представляет собой систему полых цилиндров со стенками из твердого хитина (рис. 18.1). В местах сочленений эти цилиндры связаны между собой гибкими перепонками. Сочленение тазика (проксимального сегмента ноги насекомого) с телом представляет собой разновидность шаровидного сустава все остальные суставы ноги блоковидные. Сгибание и выпрямление ног осуществляется мышцами-антагонистами - сгибателями и разгибателями, которые прикреплены к внутренней поверхности экзоскелета с обеих сторон от сустава (рис. 18.1).
Экзоскелет покрыт водонепроницаемым воскоподобным слоем, снижающим потери воды с поверхности тела.
Хотя на первый взгляд членистоногие мало напоминают червей, при более тщательном знакомстве с ними становится ясно, что и те и другие имеют общий план строения (рис. 2.4). Поэтому можно говорить об эволюционной линии кольчатые черви -членистоногие. Помимо экзоскелета и подвижных конечностей, членистоногих отличает от кольчатых червей еще несколько важных признаков. Сегменты объединяются в отдельные части тела - голову, грудь и брюшко (не считая еще сегментированной хвостовой области). Разумеется, те же названия используются и при описании планов строения тела высших позвоночных. У членистоногих наблюдается дальнейшее увеличение размеров (и значения) головы. Эту тенденцию принято обозначать как цефализация . Наконец, конечности специализируются для выполнения различных двигательных функций. Большинство этих отличительных признаков схематически показано на рис. 2.4.
Склеротины представляют собой полимерные вещества, наиболее характерные для экзоскелета членистоногих. Они ответственны за затвердение и связанное с ним потемнение кутикулы у многих видов насекомых.
Подобно тому как в разных группах организмов мы находим различные анатомические решения одних и тех же проблем адаптации (например, использование зндоскелетов у хордовых и экзоскелетов у членистоногих), так и стратегия биохимической адаптации к какому-либо внешнему фактору может сильно варьировать у разных организмов. Несомненно, это касается и приспособления экскреторных механизмов к дефициту воды.
Хитиновый экзоскелет, иногда с известковыми включениями может быть жестким, прочным или габким Каждый сегмент, как правило, несет по паре членистых конечностей , выполняющих функцию движения, добывания пищи или органа чувств
Экзоскелет ограничивает рост животного. Проблема эта преодолевается периодическими линьками (экдизисом). Однако, пока кутикула не затвердеет, животное весьма уязвимо для хищников, поэтому до окончания линьки насекомые обычно прячутся в убежищах.
Запцгга. У некоторых животных, например у членистоногих (разд. 18.1.3), имеется экзоскелет, или наружный скелет, который защищает нежные внутренние органы. У других животных эту функцию выполняют части эндоскелета , или внутреннего скелета (разд. 18.1.4). У человека, например, черепная коробка обеспечивает защиту головного мозга и органов чувств (зрения, обоняния, равновесия и слуха), позвоночник - защиту спинного мозга , а ребра и грудина - защиту сердца, легких и крупных кровеносных сосудов.
Для таких мелких животных, как большинство членистоногих, экзоскелет из полых трубчатых элементов служит очень удобной опорной и локомоторной структурой трубка может, не сгибаясь, вьщерживать значительно большие нагрузки, чем плотный цилиндр той же массы. Однако с увеличением размеров и массы животного (разд. 2.8.6) такая организация становится менее удобной - для сохранения достаточной прочности толщина и масса скелета должны были бы возрасти настолько, что он в конце концов оказался бы слишком тяжелым и громоздким.
Отдельные части эндоскелета , как и части экзоскелета, сочленены суставами, правда, более сложными. Сушествует несколько