Конкурс «Био/Мол/Текст»-2024/2025

Эта работа опубликована в номинации «Свободная тема» конкурса «Био/Мол/Текст»-2024/2025.

Генеральный партнер конкурса — международная инновационная биотехнологическая компания BIOCAD.

---

Партнер номинации — компания SkyGen: передовой дистрибьютор продукции для life science на российском рынке.

---

«Книжный» спонсор конкурса — «Альпина нон-фикшн»

Какие типы ног бывают у насекомых?

Насекомые освоили почти все доступные среды обитания. Во многом это заслуга крыльев, которые делают их уникальными беспозвоночными, способными к активному полету. Некоторые насекомые почти все время проводят в воздухе, тогда как другие пользуются крыльями с целью расселения или бегства от хищников. Большинство остальных сред насекомые захватили при помощи своих ног. Так уж получилось, что естественный отбор поддержал наиболее странные, но эффективные модификации конечностей. Среди них встречаются прыгательные, плавательные, копательные и другие варианты ног (рис. 1). У некоторых насекомых необычные конечности появились не из-за специфики среды, а в связи с образом жизни, например, хватательные ноги у богомолов (рис. 1) и других хищников.

Несмотря на разнообразие в строении ног насекомых, все они организованы по единому принципу и состоят из пяти элементов: тазик, вертлуг, бедро, голень, лапка (рис. 1). Почти каждый сегмент соединяется с другими посредством суставов. Впрочем, нагрузка на эти суставы отличается. У многих насекомых самым «уязвимым» является сустав между вертлугом и тазиком.

Жуки-лягушки

Наверняка каждому так или иначе доводилось сталкиваться с колорадским жуком. Это опасный вредитель, чьи личинки и взрослые особи питаются листьями и зелеными побегами картофеля (и ряда других пасленовых). Жуки-лягушки (подсемейство Sagrinae; рис.2) — это очень отдаленные родичи колорадских жуков. И те, и другие относятся к семейству листоедов. Жуки-лягушки тоже питаются растениями, при этом они не очень придирчивы в выборе пищи и, в отличие от всесветного колорадского жука, распространены в Юго-Восточной Азии.

Название жуков-лягушек (или лягушконогих жуков, frog-legged beetles) связано с необычным обликом их задних ног, напоминающих лягушачьи (рис. 3). Во-первых, задние ноги гораздо крупнее двух остальных пар. Во-вторых, они отличаются необычными модификациями: в задних ногах бедро значительно утолщено, голень дуговидно изогнута и покрыта густыми щетинками, а обе части ноги дополнительно несут зубцы. При этом очень иронично, что прыгать эти жуки не умеют.

Кроме того, жуки-лягушки обладают половым диморфизмом в строении задних ног. У самцов задние «лягушачьи лапки» почти вдвое больше, чем у самок (рис. 4). Различие в размерах ног объясняется тем, что самцам это «оружие» нужнее: они используют задние ноги в конкуренции за самок. Самец, которому самки не досталось, ползает в поисках «сладкой парочки», а когда находит — нападает на спаривающуюся пару, чтобы сбросить самца-конкурента. Так начинается бой, и в ход идут задние лапы, а передние и задние служат опорой [2], [3]. С другой стороны, сама модификация задних ног все-таки присуща обоим полам. Зачем им это?

Один из вариантов использования этих ног — отпугивание хищников. Но разве достаточно «рельефа культуриста» на ногах, чтобы напугать врага? Скорее нет, чем да. Но жуки-лягушки используют их так, что позавидует и каратист.

Боевая стойка

Боевое искусство всегда начинается со стойки. В случае жука-лягушки, ей и заканчивается... Для отпугивания хищников Sagra femorata принимает позу угрозы (подобно многим другим насекомым и животным в целом; рис. 5). Жук способен задирать модифицированные задние ноги вертикально вверх. Возможно, тем самым он дает понять хищнику, что тот ошибся размерчиком и такого «гигажука» не проглотит.

Но науку нельзя остановить убедительной гипотезой... В недавней работе по изучению биомеханики суставов жуков-лягушек группа исследователей прошлась по всем возможным внешним стимулам для жука. На беднягу дули, кричали, в переднеспинку тыкали пинцетом, а потом надавливали. В случае незначительного раздражения ноги поднимались лишь наполовину или меньше, а вот пинцет — это настоящая боль (кто бы сомневался, зато теперь доказано). В итоге, они последовательно отсняли, как жук-лягушка встает в позу угрозы (рис. 6) [4]. К слову, ученым удалось установить, что и борьбой жук немного владеет. Когда его переднеспинку хватали пинцетом, тот задирал ноги и, цепляясь ими за пинцет, пытался выскользнуть из «металлических объятий».

Вращение ноги и возможность применения усилий в таком положении подсказали ученым, что стоит копнуть глубже. Они взялись за расследование, и результат их удивил.

Как устроен самоблокирующийся сустав?

С помощью томографии группа исследователей сделала 3D-реконструкцию сустава. Оказалось, что тут дело не в биологии, а в инженерии. Обнаружили, что в месте сочленения вертлуг вытянут и несет что-то вроде внешней резьбы, тогда как впадина в тазике обладает бороздами, образующими внутреннюю резьбу. Вместе они образуют не что иное, как механизм «винт-гайка».

Вообще-то, присутствие этого механизма в суставах насекомых было показано достаточно давно и подробно описано у долгоносика Trigonopterus oblongus [5], [6] (рис. 7). Получается, никакой научной новизны? И все-таки, новые результаты — не просто хорошо забытые старые.

Путь от инженерии обратно к биологии лежит через биомеханику. Теперь мы знаем, для чего такие «винтообразные» суставы вообще нужны! У Sagra femorata вертлуг обладает способностью смещаться не только поворотом, но и внутри самого тазика (рис. 8). Ротация вертлуга в вертлужной впадине тазика позволяет ей совершать движение при подъеме и опускании по дуговидной траектории. Такое свойство помогает справиться с неудобной эллипсоидной формой тела. Жук-лягушка может спокойно использовать задние ноги, поскольку за счет смещения вертлуга они будут огибать тело.

Но это лишь меньшая половина функционала! Так много разговоров вокруг самоблокирующихся суставов, но все-таки, что это означает? И обратно нас возвращает к инженерии... Оказывается, механизм здесь очень простой. Вспоминаем, что сустав устроен по принципу «винт-гайка» (рис. 8). Сила трения в сочетании с небольшим углом наклона резьбы приводят к эффективному удержанию того или иного «груза» на месте. В данном случае «груз» — это нога. Таким образом, этот винтообразный сустав обеспечивает самоблокировку, которая не позволяет происходить вывиху. Такую вот лаконичную конструкцию изобрела природа.

Мысли на перспективу: робототехника или протезирование?

Выходит, что многим насекомым травматизм вовсе не свойствен, несмотря на активный образ жизни и неординарное использование конечностей. При этом у жука-лягушки один и тот же механизм обеспечивает как безопасность, так и дополнительную функцию фиксатора ноги в определенном положении. Могут ли нам пригодится эти механизмы? Есть ли у этого открытия потенциал в биомиметике, прикладной науке, занимающейся адаптацией идей из живой природы в технике и других нуждах человека?

Авторы статьи полагают, что да, и с ними сложно поспорить. Самое главное, что в этом есть потребность. В инженерной робототехнике есть проблема преодоления препятствий роботами. Она особенно актуальна для роботов, выполняющих поисковые задачи. Есть одно очень любопытное исследование, в котором группа ученых установила, что «вездеходность» тараканов обеспечена шипиками на их ногах, которые при контакте с поверхностью служат упорами, а при отрыве от нее — проскальзывают гладким наружным краем, препятствуя застреванию [7]. Подобную конструкцию воспроизвели на «конечностях» роботов, что повысило их проходимость на сложном трехмерном рельефе (рис. 9).

Биомиметика стремительно набирает обороты в робототехнике. Вполне можно ожидать, что недавно открытый механизм самоблокирующегося сустава жуков-лягушек обретет применение в этой сфере в ближайшем будущем. Например, на базе подобной конструкции сустава можно было бы сконструировать робота, который перемещается и поднимает или удерживает грузы с помощью одной и той же «пары конечностей». Маленький шаг для робота, большой шаг для человечества.

Роботы — это, конечно, здорово, но что насчет самого человека? Можно ли сделать «невывихиваемые» суставы для людей, и нужно ли это? Здесь мы погружаемся в область фантазий, на которые даже авторы исследования не решились. Вряд ли кто-то всерьез задумается о том, чтобы заменить родной неповрежденный сустав на искусственный, хоть и «апгрейднутый». Но вот имплант... Оказывается, в настоящее время сохраняется риск вывиха эндопротеза тазобедренного сустава, хотя для современных протезов вероятность этого крайне мала. Но не равна нулю! Быть может, проектирование альтернативных эндопротезов тазобедренных суставов могло бы решить эту проблему?

Пока остается только гадать. И все же, гораздо вероятнее, что свое место этот механизм найдет в инженерии и конструировании роботов. Совсем недавно в статье про скольжение водомерок мы уже разбирали, как изучение механики их движения позволило сконструировать роботов-водомерок [8]. Не исключаем, что совсем скоро мы увидим и роботов-жуков-лягушек. Ждем релиза.

Заключение

Жук-лягушка действительно «отменяет» вывихи. Пока что он делает это только для себя. Но все впереди. Новое открытие наглядно показывает, насколько изобретательна природа. А ведь такой она стала задолго до появления человека! Подобные исследования не просто расширяют наши биологические знания, но и открывают большой потенциал в их применении на практике. Особый интерес представляют насекомые, которые бесконечно разнообразны с одной стороны и безупречно механичны с другой. Наверное, именно поэтому насекомых стоит считать главной перспективой биомиметики. Жук-лягушка — не исключение. Ква.

Литература

1. Devin M. O'Brien, Masako Katsuki, Douglas J. Emlen. (2017). Selection on an extreme weapon in the frog‐legged leaf beetle ( Sagra femorata ). Evolution. 71, 2584-2598;
2. Masako Katsuki, Kaoru Uesugi, Tomoyuki Yokoi, Takane Ozawa, Devin M. O'Brien, et. al.. (2024). Morphological and functional analyses for investigation of sexually selected legs in the frog legged beetle Sagra femorata (Coleoptera: Chrysomelidae). Arthropod Structure & Development. 80, 101360;
3. Masako Katsuki, Tomoyuki Yokoi, Kota Funakoshi, Naoto Oota. (2014). Enlarged Hind Legs and Sexual Behavior with Male-Male Interaction inSagra femorata(Coleoptera: Chrysomelidae). Entomological News. 124, 211-220;
4. Le Zong, Zonghui Sun, Jieliang Zhao, Zhengzhong Huang, Xiaokun Liu, et. al.. (2024). A self‐locking mechanism of the frog‐legged beetle Sagra femorata. Insect Science. 31, 1864-1875;
5. Thomas van de Kamp, Patrik Vagovič, Tilo Baumbach, Alexander Riedel. (2011). A Biological Screw in a Beetle’s Leg. Science. 333, 52-52;
6. Thomas van de Kamp, Tomy dos Santos Rolo, Patrik Vagovič, Tilo Baumbach, Alexander Riedel. (2014). Three-Dimensional Reconstructions Come to Life – Interactive 3D PDF Animations in Functional Morphology. PLoS ONE. 9, e102355;
7. J C Spagna, D I Goldman, P-C Lin, D E Koditschek, R J Full. (2007). Distributed mechanical feedback in arthropods and robots simplifies control of rapid running on challenging terrain. Bioinspir. Biomim.. 2, 9-18;
8. Звездная ночь в пруду: как и зачем водомерка рисует картины Ван Гога?.