Воздушные мешки в пневмомускулы?

[Vanga Vangog]

Встречал на англоязычном форуме спекулятивной эволюции идею такого организма: дальний потомок птиц, живущий через сотни миллионов лет, приспособивший часть своей расширенной системы воздушных мешков в качестве пневматической мускульной системы, смещающей кости давлением воздуха с помощью внутренних клапанов и насосов.

 

Перевод фрагмента поста о котором идет речь (выделение мое):

В недалеком будущем потомки чёрного стрижа стали арктическим видом. Самка откладывала яйца в сумку на спине самца, чтобы защитить их от холода. Это наконец освободило птиц от необходимости спускаться на землю для размножения. После потепления климата эти формы жили на горных хребтах. Они развили краниальный кинезис, чтобы лучше ловить насекомых. Весь скелет стал пневматическим. Воздушные мешки развились в сеть воздушных вен, окружающих тело. Вторая носовая камера была отделена от ротовой полости, создав ноздри для выдоха, и воздух проходил через тело в одном направлении. Носовые камеры и горло больше не были связаны. Более поздние виды развили систему насосов и клапанов, превратив мешки в пневматические мышцы, которые заменили большинство других мышц в теле. Яйца со временем деминерализовались из-за отсутствия угроз в сумке и большого расхода кальция для самки.  Защита яиц, самая эффективная дыхательная система того времени и адаптация к разреженному воздуху позволили этой линии стать единственной из летающих птиц, пережившей великое вымирание 132,4–133,9 миллионов лет спустя.

 

Стало интересно - а возможно ли что-то такое в принципе? Конечно не в такой экстремальной степени как в посте, а в более умеренной - скажем, чтобы птица или альтернативный организм в той же нише выполнял некоторую часть работы мышц, толкая кости преобразованными воздушными мешками?

 

Выгоды вроде очевидны - меньше движения зависит от тяжелых мускул, значит можно расстаться с частью веса. Можно вырастать до бóльших размеров и тратить меньше энергии на поднятие тушки в небо. Как и РИ-мешки, эти полости могут участвовать в дыхании и охлаждении, что пригодится в особо далеком будущем (600 и более млн лет), когда солнце увеличит светимость и цикл неорганического углерода на Земле начнет приходить в упадок, затрудняя растениям фотосинтез, а значит снижая долю кислорода в атмосфере.

 

С другой стороны, непонятно способен ли организм поддерживать в своих полостях давление газа, необходимое для равной мышцам эффективности их работы. Внутренние утечки могут повредить окружающие ткани, а открытое повреждение вовсе выведет систему из строя, затрудняя а то и запрещая животинке полет пока рана не заживет полностью.

 

Короче, интересно мнение более сведущих коллег:

-Возможна/рентабельна ли подобная система в живом организме?

-Если возможна, какие препятствия на пути у ее эволюции? Какие дополнительные адаптации могут потребоваться?

-Могут ли конкретно птицы прийти к такому?

Изменено 21 час назад пользователем Vanga Vangog

[Serafim]

Хмм, занятно. Не будет ли объем пневмоптиц больше чем у обычных что губительным образом скажется на летных характеристиках? 

[TunderTunder]

Опубликовано

А разве дыхательная система не работает усилиями диафрагмы? Мышцы све равно будут задействованы, так что тут просто увеличивается сложность конструкции, и одновременно хрупкость. Любое повреждение таких мешков означает по сути паралич двигательной системы. Для позвоночных противопоказано... Моллюскам пожалуйста.

[hanhnets]

В существующих организмах присутствует гидравлическое усиление за счёт качания крови.

С воздушным усилением мышцы всё равно будут нужны, если существо планирует делать что-то кроме медленного дрейфования по небу.

Ну и да, это уже будут не птицы, а воздушные шарики со всей сопутствующей этому деградацией, грозных хищников из них точно не получится, если только остальные виды не деградируют аналогичным образом.

[Vanga Vangog]

Хмм, занятно. Не будет ли объем пневмоптиц больше чем у обычных что губительным образом скажется на летных характеристиках?

Вот мне тоже интересно. Но полагаю это вопрос направления расширения - если оно будет идти больше от одной точки крепления к другой и по минимуму в остальные стороны, такой проблемы не должно возникнуть. Может быть решается разной эластичностью стенок?

А разве дыхательная система не работает усилиями диафрагмы? Мышцы све равно будут задействованы, так что тут просто увеличивается сложность конструкции, и одновременно хрупкость. Любое повреждение таких мешков означает по сути паралич двигательной системы. Для позвоночных противопоказано... Моллюскам пожалуйста.

Работает, но у меня вопрос не в полной замене мышц как в оригинале, а в частичной. Облегчения двигательной системы. Грубо говоря представьте животное с мышечной массой на 40% меньше птицы тех же размеров, потому что когда грудная опускает его крыло, ей с другой стороны помогает толкающий то же крыло вниз "лопаточный мешок". И наоборот.

"Обычные" мускулы будут по-любому задействованы - один из вопросов в том нужно ли их для накачивания мешков и открытия/закрытия клапанов столько же по массе сколько для традиционной тягающей работы с той же целью.

Вот критичность повреждений - это препятствие. Но думаю, можно решить рефлекторной изоляцией поврежденной полости - смыканием клапана намертво при первых сигналах от стенки мешка об уроне, до заживления. Удерживать области с разным давлением они должны будут уметь и так, просто в этом случае это будет длиться намного дольше. Чтобы вся конечность не выбывала от одного пореза, критичные пневмомышцы можно поделить - грубо у нас не один пневмобицепс, а три параллельных в треть объема каждый, снабжаемые синхронно через отдельные клапаны. Если один уйдет в оффлайн, два других продолжат работу (вместе с обычными мышцами).

Усложнение, да, ну так оно само по себе не плохо. Вопрос выгод и потерь. Мозг позвоночных делает нас весьма хрупкими по сравнению с морской звездой, но преимущества в поведении которые он дает компенсируют этот недостаток.

Мне интересно можно ли привести предложенное к такому же положительному балансу.

С воздушным усилением мышцы всё равно будут нужны, если существо планирует делать что-то кроме медленного дрейфования по небу. Ну и да, это уже будут не птицы, а воздушные шарики со всей сопутствующей этому деградацией, грозных хищников из них точно не получится, если только остальные виды не деградируют аналогичным образом.

См. выше. Меня и интересует не полная замена мышц а освобождение их от части работы.

[Vanga Vangog]

Вариант Б по вопросу повреждения мешков:

Животное с такой двигательной системой - это что-то короткоживущее и быстро размножающееся. Риск травмы просто не успевает помешать разносу генов.

 

Изменено 11 часов назад пользователем Vanga Vangog

[TunderTunder]

Животное с такой двигательной системой

Беспозвоночное, которому такие псевдомышцы работают, как и скелет. Сначала живёт в воде, где может безопасно развить технологию, а потом вместо воды использует воздух и перебирается жить в топосферу

[hanhnets]

представьте животное с мышечной массой на 40% меньше птицы тех же размеров

Представил. И существо будет слабее птицы. То есть выгода конечно имеется - меньше масса, проще летать, меньше затраты ресурсов, но это перекрывается меньшими возможностями для выживания, существо сползает ниже по иерархии хищников-жертв, если такой же деградации не будет у всей биосферы, то птицы займут роль каких-нибудь воздушных медуз (совсем не обязательно выглядящих как пластиковый пакетик), а роль птиц займёт кто-то более мощный.

Изменено 11 часов назад пользователем hanhnets

[Vanga Vangog]

Представил. И существо будет слабее птицы. То есть выгода конечно имеется - меньше масса, проще летать, меньше затраты ресурсов, но это перекрывается меньшими возможностями для выживания, существо сползает ниже по иерархии хищников-жертв, если такой же деградации не будет у всей биосферы, то птицы займут роль каких-нибудь воздушных медуз (совсем не обязательно выглядящих как пластиковый пакетик), а роль птиц займёт кто-то более мощный.

Так ли слабее? Пневмомышцы тоже выполняют двигательную работу, это не пассивные поплавки.

На край, в ногах и позвоночнике можно оставить и одни "нормальные" мускулы. Может даже чуть добавить, раз вес освободился. Остальное могут компенсировать быстрый старт и уже перечисленные преимущества.

Эволюция так-то не против локальных "деградаций" если выгоды перевешивают. Хрупкие пневматизированные кости не выбили птиц из хищных ниш, даже крупных - хотя казалось бы, ударь как следует, и у охотника три перелома там где у млека не будет и одного. Но мобильность победила.

то птицы займут роль каких-нибудь воздушных медуз (совсем не обязательно выглядящих как пластиковый пакетик)

Кстати образ "воздушных медуз" сам по себе так-то интересен. Наверное что-то такое может существовать в мире где есть аэропланктон, который можно пассивно выцеживать из воздуха

Беспозвоночное, которому такие псевдомышцы работают, как и скелет. Сначала живёт в воде, где может безопасно развить технологию, а потом вместо воды использует воздух и перебирается жить в топосферу

Как вариант. А позвоночным - разделение полостей и изоляция поврежденных.

Изменено 10 часов назад пользователем Vanga Vangog

[hanhnets]

Кстати образ "воздушных медуз" сам по себе так-то интересен. Наверное что-то такое может существовать в мире где есть аэропланктон, который можно пассивно выцеживать из воздуха

Про это есть небольшой рассказик. На форуме его даже скидывали, но название не помню.

[vashu1]

Пневматика как

 

1. Источник энергии.

 

Как уже отметили, сжатый воздух то ниоткуда не берется. Так что пневматика лишь передает энергию ... или нет?

 

В живом организме вполне себе есть молекулярные насосы, способные работать против больших давленй. Скажем осмотическое давление между морской и пресной водой это порядка 20 атм! Причем как я понимаю молекулярный насос способен сжимать воздух без потерь на нагрев - если мы аккуратно протаскиваем молекулу через канал потенциалом то тепла она не получает.

 

В общем возможен и источник пневматический энергии, но сложно сказать что-то конкретное про кпд и удельную мощность Я так подозреваю удельная будет невелика, что есть проблема для летающих, а вот кпд сравнимый с мускулами возможен.

 

2. Передача энергии.

 

Не мускулами едиными живо движение. Если мы посмотрим на кисть, то мы видим мощный и гибкий манипулятор. При этом в кисти емнип всего пара мускулов. Все остальные - в предплечье и усилие передается в кисть многочисленными сухожилиями.

 

Но сухожилия уже очень мощная штука. Стопа может выдержать несколько весов тела. Но на ахилесово сухожилие усилие передается рычагом костей - дополнительное усиление. В общем на сечение порядка см2 у нас в сухожилии приходятся тонны - эквивалент сотен атмосфер пневматики.

 

С другой стороны это значит что у природы уже есть материал для очень прочных и гибких пневматических трубок, а с ремонтом биология справляется куда лучше человека.

 

Мускулы/сухожилия хорошо работают на сжатие, но для толчка им необходимы скелетные рычаги. Пневматика может дополнять - работая на расширение.

 

3. Аккумулятор энергии.

 

Проблема с аккумуляцией простым сжатием - часть энергии уходит в тепло. Емнип уже при ~5 атм нагрев будет порядка 100 градусов, те дальше для использования в биосистемах надо охлаждать воздух и терять часть энергии.

 

Но большое преимущество воздуха - его можно хранить долго. АТФ достаточно быстро разлагается так что у живых организмов очень ограниченные возможности по запасанию энергии.

 

Хороший пример такой системы - ракета на воде вытесняемой воздухом. https://en.wikipedia.org/wiki/Water_rocket Рекорд для таких ракет - порядка км The world record for a water rocket, set in 2015, is 2723 feet. (800 м)

 

Проблема пневматики для водных жителей - низкая плотность. Плотность тканей и так сравнима с водой, так что у пневматического существа плавучесть получается положительная, если не таскать тяжелый балласт камней то доступ к глубинам резко дорожает.

 

Еще проблема мускулов - они тратят энергию даже при отсутствии механической работы. Поэтому для раскрытия раковин моллюсков измором иглокожиие используют пружину https://d-catulus.livejournal.com/94880.html Ессно пневматика позволяет получать такую пружину.

 

4. Замена скелета.

 

Пожалуй самая интересная возможность. Если мы посмотрим на какой-нибудь пэддлборд, то мы видим жесткую надувную систему не шарообразной формы.

 

Внутри множество стяжек которые превращают шар в доску.

 

Слово сопромат знают все, а вот с деталями обычно похуже. Легко сделать структуру которая будет устойчиво работать на растяжение, зато работа на сжатие это гораздо сложнее. Одно дело спустить игрушку с люстры на нитке, другое дело - строительство башни из кубиков до люстры.

 

Проблема такой структуры - устойчивость к повреждениям, укусам/уколам. Но в принципе "самозалечивающиеся баки" и у человека работают, а уж природа такое может отладить...

 

5. Нетривиальные эффекты.

 

При расширении сжатого воздуха можно получить низкие температуры, вплоть до сжижения воздуха. Хотя куда это применить?

 

Воздух штука легкая так что энергия сжатого воздуха может переходить в очень высокие скорости. Это используется скажем в пескоструе - струя воздуха разгоняет абразив до околозвуковых скоростей. Вскрывать раковины моллюсков?

 

-

 

В общем - скажем бурдюк с воздухом и водой, плавает на поверхности воды. Накачивается молекулярными насосами. В случае опасности прыгает на сотни метров пневмоводяной ракетой, может и нападающую птицу протаранить и съесть.

 

Разрушает раковины моллюсков пескоструем, раздвигает камни расширением мешка. Может сдуться и заползти в норку.

Изменено 9 часов назад пользователем vashu1

[TunderTunder]

В общем - скажем бурдюк с воздухом и водой, плавает на поверхности воды. Накачивается молекулярными насосами. В случае опасности прыгает на сотни метров пневмоводяной ракетой, может и нападающую птицу протаранить и съесть.   Разрушает раковины моллюсков пескоструем, раздвигает камни расширением мешка. Может сдуться и заползти в норку.

И никаких позвоночных птиц

[Эгалитарный Эусоциалист]

англоязычном форуме спекулятивной эволюции

Можете дать здесь ссылку?

Изменено 8 часов назад пользователем Эгалитарный Эусоциалист