Извивание помогло украшенным древесным змеям контролировать планирование
Инженеры из США выяснили, что во время планирования змеи извиваются в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Полет украшенных древесных змей сняли с помощью технологии захвата движений и на основе параметров горизонтальной и вертикальной волн создали модель планирования. Оказалось, что горизонтальное извивание увеличивает стабильность и дальность полета, а еще помогает маневрировать. Авторы статьи, опубликованной в журнале Nature physics, предполагают, что на основе полученной модели можно создать летающую робозмею.
Украшенные древесные змеи из рода Chrysopelea — единственные безногие позвоночные, которые умеют летать (точнее, планировать). Для этого они отталкиваются от ветки, сплющивают свое тело, так что в сечении оно напоминает треугольник, и S-образно извиваются. Непонятно, зачем рептилиям изгибаться в полете — возможно, это улучшает аэродинамику и помогает планировать дольше, а может, змеи двигаются так просто по привычке.
Исследователи под руководством Исаака Йитона (Isaac Yeaton) из Политехнического университета Виргинии изучили планирование змей с помощью технологии захвата движений. На семи змеях вида Chrysopelea paradisi отмечали по 11-17 маркеров, животные прыгали с высоты 8,3 метров на искусственное дерево в арене. В каждой отмеченной точке регистрировали угол наклона тела змей относительно оси тела в горизонтальной и вертикальной плоскостях.
Авторы выяснили, что змеи извиваются не только горизонтально, но и вертикально. Две волны смещены по фазе на 90 градусов, гоизонтальная является синусоидой с плоским верхом и амплитудой 80-120 градусов, а вертикальная — с узким пиком и амплитудой 20-45 градусов. В змею «умещается» 1-1,5 периода горизонтальных волн и 2-3 вертикальных, частота вторых в 2-3 раза выше (2-3,4 герц против 1-1,7). Есть и еще одна волна — изгибание конца хвоста относительно головы, ее назвали дорсовентральной волной.
Изгибания змеи смоделировали с помощью серпеноидной кривой — уравнений горизонтальной и вертикальной волн — синусоиды большой амплитуды с плоским пиком и малой амплитуды с узким пиком. В уравнения ввели пять переменных: максимальные углы изгиба в двух плоскостях (θm и ψm), число периодов и частоту горизонтальной волны (νθ и fθ) и угол дорсовентрального изгиба (dψ). Остальные переменные выразили через пять основных (например, частота вертикальной волны в два раза выше горизонтальной). В каждый момент времени вычисляли положение тела относительно центра масс, интегрируя серпеноидную кривую: координаты вычисляли по уравнениям ∂sx = cosψ sinθ, ∂sy = -cosψ cosθ, ∂sz = sinψ.
Траектории, которые получили с помощью симуляции, оказались похожими на траектории настоящих змей, хотя дальность планирования в симуляции была несколько меньшей.
При моделировании полета без горизонтальных извиваний оказалось, что в половине случаев он нестабилен (в какой-то момент угол наклона тела превышает 85 градусов), и его дальность меньше. Еще более выраженно извивания увеличивали стабильность и дальность полета в моделях планирования с высоты 75 метров — такие деревья растут в индомалайских лесах, где обитают украшенные змеи. Дорсовентральные изгибы изменяли килевую качку — наклоны тела вперед и назад, перераспределяли аэродинамические силы и увеличивали вращательную стабильность планирования.
Угловое положение тела в пространстве зависело как от аэродинамических, так и от инерционных сил, и наибольший вклад вносил момент рыскания — повороты вокруг вертикальной оси. Момент рыскания возникает из горизонтальной волны, и змеи могут использовать его для маневрирования в полете.
Обнаруженные особенности кинематики планирования змей могут послужить вдохновением и теоретической базой для создания змееподобных летающих роботов, считают авторы работы, — основой для них могут стать уже существующие робозмеи. Модель извиваний, которую создали исследователи, упростит управление таким роботом и улучшит его аэродинамические характеристики.
Робозмей, механика движений которых вдохновлена настоящими рептилиями, используют в самых разных областях: гибкие роботы с лазерами помогают сваривать трубы, а подводные робозмеи будут инспектировать подводные конструкции. Механических змей уже даже научили летать — правда, с помощью напарника-мультикоптера, который доставляет змею в нужное место.
Алиса Бахарева
Однако они чуть чаще обращали внимание на крики собственного потомства и на крики детенышей низкоранговых самок
Приматологи из Германии и Индонезии исследовали реакцию самцов промискуитетных хохлатых макаков на крики детенышей. Выяснилось, что самцы этого вида в целом не склонны к заботе о потомстве, нечасто реагируют на такие крики и вмешиваются в конфликт. Однако это случается чаще, если кричит их собственный детеныш, детеныш самки, с которой самец в дружеских отношениях или детеныш низкоранговой самки. Вероятно, самцы способны отличать своих детенышей или помогать тем, кому в самом деле требуется помощь. Результаты опубликованы в International Journal of Primatology. Хохлатые макаки (Macaca nigra) живут на острове Сулавеси в группах, состоящих из несколько самок и меньшего количества самцов. Как и многие приматы, они ведут промискуитетный образ жизни, поэтому самцы не могут быть уверены в своем отцовстве. Любая форма отцовской заботы у этого вида вероятнее всего будет ограничена определенными ситуациями, однако она может иметь место, поскольку детская смертность среди хохлатых макаков высокая. Одно из предыдущих исследований Дафны Керхоас (Daphne Kerhoas) из Института эволюционной антропологии Общества Макса Планка и ее коллег показало, что самцы хохлатых макаков иногда формируют с детенышами что-то вроде дружеской диады и проводят друг с другом больше времени. Однако выяснилось, что эту связь лучше объясняет не отцовство самцов, а их дружба с матерью детеныша. Вероятно, это увеличивает вероятность спариваться с этой самкой в дальнейшем. Теперь Керхоас с коллегами из Германии и Индонезии исследовала, как самцы хохлатых макаков реагируют на крики детенышей, которые те издают во время конфликтов с другими самцами и самками или — что случается реже — с другими детенышами. В таких ситуациях детенышам может быть нужна помощь прямо сейчас, и самцы должны быть заинтересованы в сохранении своего потомства, если, конечно, они способны его отличать на слух. Тогда самцы могут мирно вмешиваться в конфликт. Если же свое потомство они не отличают, по крайней мере они могут стремиться сберечь потомство самок, с которыми планируют спариваться. Ученые наблюдали за тремя группами приматов, живущими в заповеднике Тангкоко (Сулавеси, Индонезия). В каждой группе было от 13 до 25 размножающихся самок и от 4 до 11 взрослых самцов. Детенышей во всех группах было 35, но 5 из них не дожили до года. Исследователи также фиксировали, как часто самцы взаимодействуют с самками, чтобы понять, находятся ли они в дружеских отношениях. Для всех детенышей ученые определили наиболее вероятного отца с помощью анализа ДНК из фекалий. Самцы реагировали на крики детенышей не очень часто: из 2637 зафиксированных криков только 314 привлекли самцов (около 12 процентов всех случаев). Чаще всего на крик детеныша реагировал один самец (275 случаев), реже — двое (37 случаев) и в двух случаях — трое самцов. На крики собственного потомства самцы обращали внимание несколько чаще — с вероятностью 2,4 процента против 1,6 процента. Также они реагировали чаще, если детеныш был их другом (2,7 процента против 1,8), или если их другом была мать детеныша (2,4 процента против 1,8). Самцы охотнее отзывались на крики детенышей низкоранговых самок (2,2 процента против 1), которые более уязвимы. Также влиял ранг самого самца — высокоранговые особи отзывались с вероятностью в 2,1 процента, а макаки с самым низким рангом — с вероятностью 1,5 процента. А вот присутствие матери никак не повлияло на реакцию самцов. Полученные данные авторы рекомендуют интерпретировать осторожно. Вероятно, самцы могут распознавать свое потомство — основываясь на своем ранге (альфа-самец оплодотворяет большинство самок в группе), на том, как часто они спаривались с их матерью или на внешних признаках. Если так, то можно предположить ограниченную отцовскую заботу у этих приматов, направленную в основном на то, чтобы детеныши выжили. Не исключено, что они ошибочно принимают детенышей за своих. То, что самцы в целом нечасто отзываются на крики детенышей и вмешиваются в конфликт, может объясняться тем, что они оценивают свои риски: низкоранговый самец может просто не захотеть вступать в потенциальный конфликт с другим самцом. Еще возможно, что самцам просто не хватает времени (учитывая то, что один самец может быть отцом сразу многих детенышей), или самцы и детеныши не получают никакой выгоды от отцовской заботы на постоянной основе. Ранее ученые выяснили, что самцы шимпанзе, которые тоже не формируют моногамных пар, проявляют отцовскую заботу и проводят со своими детенышами больше времени, чем с другими, до тех пор, пока тем не исполняется полтора-два года. А вот самцы мармозеток активно заботятся о потомстве — и это помогает детенышам выживать.