Введение

Походка — это схема движения конечностей животных, включая человека, при передвижении по твёрдой поверхности. Большинство животных используют разнообразные походки, выбирая их в зависимости от скорости, рельефа местности, необходимости маневрировать и энергетической эффективности. Разные виды животных могут использовать различные походки из-за анатомических особенностей, препятствующих использованию определённых схем движения, или просто из-за сформировавшихся в процессе эволюции врождённых предпочтений, связанных с различиями в среде обитания. Несмотря на то, что различным походкам присваиваются конкретные названия, сложность биологических систем и взаимодействие с окружающей средой делают эти различия в лучшем случае размытыми. Походки обычно классифицируются по схеме постановки ног, однако в современных исследованиях всё чаще предпочтение отдаётся определениям, основанным на механике. Этот термин обычно не относится к передвижению конечностей в жидких средах, таких как вода или воздух, а скорее к передвижению по твёрдой поверхности посредством создания реактивных сил. (Это может относиться и к передвижению под водой, и по суше). Из-за высокой скорости движений животных простого визуального наблюдения часто недостаточно для понимания схемы движения конечностей. Несмотря на ранние попытки классифицировать походки по следам или звуку шагов, полноценное научное изучение походки стало возможным лишь после того, как Эдвард Мейбридж и Этьен Жюль Маре начали делать серии быстро последовательных фотографий.

Обзор

Милтон Хильдебранд заложил основы современного научного анализа и классификации походки. Движение каждой конечности разделялось на фазу опоры, когда стопа находится в контакте с землей, и фазу переноса, когда стопа поднимается и перемещается вперед. Каждая конечность должна завершать цикл за одинаковое время, иначе взаимосвязь одной конечности с другими может меняться, и устойчивый паттерн не сформируется. Таким образом, любую походку можно полностью описать, определяя начало и конец фазы опоры трех конечностей относительно цикла опорной конечности, обычно левой задней.

Переменные

Походки обычно классифицируются как "симметричные" и "асимметричные" на основе движения конечностей. Важно отметить, что эти термины не имеют отношения к лево-правовой симметрии. При симметричной походке левая и правая конечности пары чередуются, а при асимметричной походке конечности двигаются одновременно. Асимметричные походки иногда называют "скачковыми" из-за наличия фазы полета. Ключевыми параметрами походки являются коэффициент опоры и фазовое соотношение между передними и задними конечностями. Коэффициент опоры – это просто процент полного цикла, в течение которого данная конечность находится на земле. Это значение обычно одинаково для передних и задних конечностей, если животное не выполняет специально выученную походку или не ускоряется и не замедляется. Коэффициенты опоры более 50% классифицируются как "ходьба", а менее 50% – как бег. Фазовое соотношение передних и задних конечностей – это временная взаимосвязь между парами конечностей. Если передняя и задняя конечности с одной стороны тела одновременно начинают фазу опоры, фаза равна 0 (или 100%). Если передняя конечность с одной стороны касается земли на половину цикла позже, чем задняя, фаза составляет 50%.

Физиологические эффекты походки

Выбор походки может иметь последствия, выходящие за рамки непосредственных изменений в движении конечностей и скорости, в частности, в отношении вентиляции. Поскольку у ящериц и саламандр отсутствует диафрагма, им необходимо расширять и сжимать стенки тела, чтобы проталкивать воздух в легкие и выталкивать его, однако эти же мышцы используются для выполнения боковых волнообразных движений тела при передвижении. Таким образом, они не могут двигаться и дышать одновременно – это состояние известно как ограничение Кэрриера, хотя некоторые, например, вараны, способны обходить это ограничение с помощью ротоглоточного насоса. В отличие от них, сгибание спины галопирующего млекопитающего приводит к тому, что брюшные органы действуют как поршень, надувая и сдувая легкие при сгибании и разгибании позвоночника, что увеличивает вентиляцию и обеспечивает более интенсивный обмен кислородом.

Различия между видами

Животные обычно используют различные типы аллюра в зависимости от скорости. Почти все животные способны к симметричным аллюрам, в то время как асимметричные аллюры в основном свойственны млекопитающим, которые способны к достаточному сгибу позвоночника для увеличения длины шага (хотя небольшие крокодилы способны использовать скачущий аллюр). Латеральные последовательности аллюра при ходьбе и беге наиболее распространены у млекопитающих, но древесные млекопитающие, такие как обезьяны, некоторые опоссумы и кинкажу, используют диагональные последовательности аллюра для повышения устойчивости. [3] Диагональные последовательности аллюра при ходьбе и беге (также известные как рысь) чаще всего используются у тетрапод с широкой постановкой конечностей, таких как саламандры и ящерицы, из-за латеральных колебаний их тел во время движения. Двуногие – это особый случай, и большинство двуногих демонстрируют лишь три аллюра – ходьбу, бег и прыжки – во время естественного передвижения. Другие аллюры, такие как человеческий подскок, не используются без преднамеренных усилий. Аллюр шестиногих также хорошо изучен, особенно у дрозофилы и палочников (Phasmatodea). Дрозофилы используют триподиальный аллюр, при котором 3 ноги качаются одновременно, а 3 ноги остаются на земле в фазе опоры. Однако изменчивость аллюра является непрерывной. Мухи не проявляют четких переходов между аллюрами, но чаще используют триподиальную конфигурацию на более высоких скоростях. На более низких скоростях они чаще ходят, опираясь на 4 или 5 ног. Координация тетрапод (когда 4 ноги находятся в фазе опоры) заключается в одновременном качании диагонально противоположных пар ног. Волна (иногда называемая метахронной волной) описывает аллюр, при котором в качели входит только одна нога за раз. Это движение распространяется от задней части тела к передней по бокам, а затем в обратном направлении. Палочники, более крупные шестиногие, демонстрируют триподиальный аллюр только на стадии личинки. Взрослые особи на низких скоростях, скорее всего, ходят метахронной волной, при которой в качели входит только одна нога за раз. На более высоких скоростях они ходят с координацией тетрапод, когда две ноги соединены в паре в фазе качания, или метахронной волной, двигая только одну ногу за раз.

Классификация по энергетическим показателям

Хотя походки можно классифицировать по фазам опоры, новые исследования, включающие кинематику всего тела и данные с силовых платформ, привели к альтернативной схеме классификации, основанной на механике движения. В этой схеме движения разделяются на ходьбу и бег. Ходьба характеризуется "выворачивающим" движением тела над ногами, которое часто описывают как перевернутый маятник (демонстрирующий колебания кинетической и потенциальной энергии, сдвинутые по фазе), механизм, описанный Джованни Каванья. При беге колебания кинетической и потенциальной энергии происходят в фазе, а изменение энергии передается мышцам, костям, сухожилиям и связкам, функционирующим как пружины (таким образом, это описывается моделью массы и пружины).

Энергетики

Скорость обычно определяет выбор аллюра, при котором четвероногие млекопитающие переходят от шага к рыси, а затем к галопу с увеличением скорости. Каждый из этих аллюров имеет оптимальную скорость, при которой расходуется минимальное количество калорий на метр, а затраты энергии возрастают при более низкой или более высокой скорости. Переходы между аллюрами происходят вблизи скорости, когда стоимость быстрого шага становится выше, чем стоимость медленной рыси. Нескованные животные обычно двигаются с оптимальной скоростью для данного аллюра, чтобы минимизировать энергетические затраты. Стоимость передвижения используется для сравнения энергетической эффективности различных аллюров, а также аллюров разных животных.

Походка не тетрапода

Несмотря на различия в количестве ног у наземных позвоночных, в соответствии с моделью инвертированного маятника для ходьбы и пружинно-массовой моделью для бега, "ходьба" и "бег" наблюдаются у животных с 2, 4, 6 или более ногами. Термин "походка" даже применяют к летающим и плавающим организмам, создающим отчетливые структуры вихревых следов.