Для начала – маленькая история и весьма поучительный опыт. Как-то раз давным-давно я понял, что всю жизнь мечтал стать водолазом. Нырять в загадочные морские глубины, как знаменитый французский исследователь Кусто, изучать всяких разных животных, а заодно отыскивать спрятанные на морском дне пиратские сокровища. Выпросив из папиных запасов кусочек гибкой пластиковой трубки и нацепив очки для бассейна, я отправился в ванну тренироваться на водолаза. Опыт прошёл блестяще – я лежал под водой, дышал через трубку и вообще.
Однако исследователь Кусто опускается на большую глубину, верно? Поэтому коротенькая трубка для тренировки настоящего водолаза не годится. Пришлось вылезать из воды и выпрашивать у папы всю трубку целиком – она была очень длинная, метра два. Как раз для поисков сокровищ на большой глубине. Однако нырнув в озеро, я был страшно удивлён, огорчён и раздосадован – дышать через эту трубку у меня никак не получалось! Я даже подумал, что в папину трубку попал какой-то мусор, который не даёт мне вдыхать и выдыхать воздух. Но папа сказал, что мусор здесь ни при чём.
Оказывается, чем больше трубка, тем больше внутри неё воздуха. А воздух, хоть и невидимый, но вполне себе тяжёлый и упругий. А мы, люди, дышим лёгкими – и тратим на это силы! И моих сил (и объёма лёгких) для того, чтобы «продуть» воздух на двухметровой глубине, когда на лёгкие давит вода, не хватает! Хуже того – даже у взрослого человека сил для дыхания через такую трубку не хватит. Именно поэтому настоящие трубки для плавания в магазине все короткие, а настоящим водолазам воздух на глубину вообще накачивают насосом.
Так я познакомился с такой наукой, как биомеханика. Биомеханика – это наука о физических возможностях живых организмов, об их механических характеристиках. Она изучает силу и упругость мышц, прочность костей, гибкость суставов. Она изучает разные движения живого организма – и расход энергии на эти движения. Она объясняет, почему человек, когда плавает или бегает, устаёт намного быстрее и сильнее, чем когда просто ходит пешком. Она позволяет рассчитать – как высоко человек способен прыгнуть, как быстро он способен побежать, как далеко он может бросить мячик определённого веса. Сколько времени он может пробыть под водой или на большой высоте. Такая наука очень даже полезна – прежде всего военным, спортсменам, спасателям.
Вернёмся к моему опыту с длинной трубкой. Для того, чтобы «гнать» по этой трубке воздух (а тем более воду), нужна сила, и немаленькая! А теперь представим себе, что в трубке у нас не воздух и не вода, а кровь. Что трубка – это кровеносный сосуд. А что гонит кровь по нашим сосудам? Конечно, сердце. А это значит, что, во-первых, сердце у человека должно быть сильным. А во-вторых – что чем длиннее кровеносные сосуды, то есть чем выше и больше человек, тем сильнее должно быть его сердце – иначе кровь совсем прекратит «течь», то есть циркулировать!
Возьмём тонометр и измерим у человека давление крови. Некоторые думают, что давление измеряют только старушкам и больным – нет, это не так! Давление регулярно измеряют тем же самым спортсменам. Когда сердце сжимается, у взрослого человека нормальным считается давление 120 миллиметров ртутного столба, или примерно 16 килопаскалей ( кПа). А теперь попробуйте угадать, какое давление крови у жирафа? Вспомните всё, о чём мы только что говорили! Конечно же – у жирафа шея очень длинная, голова находится высоко – а это значит, что сердцу надо качать кровь с большей силой, и давление должно быть сильнее, чем у человека. И правда: у жирафа нормальное давление – 190 мм, или 25 килопаскалей! Жираф, если хотите, – «хронический гипертоник», у него «вечно высокое давление».
В каждом живом организме – не только в человеке или жирафе! – постоянно «работают» сотни физических параметров: температура и влажность кожи, давление крови, напряжение (сила) мышц, напряжения в костях и связках (сухожилиях), давление или вязкость суставной (учёные говорят «синовиальной») жидкости – «смазки» для наших локтей и коленок, – и так далее. Биомеханика, изучая эти параметры, позволяет нам оценить «пределы», возможности того или иного живого организма.
Один из основных законов биомеханики – это так называемый «закон куба и квадрата». Представьте себе кубик со стороной в 1 сантиметр. У него 6 граней – то есть его поверхность равна 6 квадратных сантиметров. А объём у него – 1 кубический сантиметр. Теперь увеличим сторону нашего кубика в 2 раза. Тогда площадь его поверхности станет... сами подсчитали? молодцы! – 6 умножить на 4, то есть 24 квадратных сантиметра. А объём? А объем стал 8 кубических сантиметров. Длина стороны увеличилась в 2 раза? Значит, площадь увеличилась в 4 раза, а объём – в 8 раз. Какое отношение кубики имеют к живым организмам? Самое прямое!
Смотрите: длина – это рост животного, его «линейный размер». Количество теплоты, которое вырабатывается организмом, зависит от его объёма (то есть веса). А вот количество лишней теплоты, которая «сбрасывается» в окружающую среду, зависит от площади поверхности! Увеличили рост животного в 2 раза? При этом количество внутреннего тепла увеличится в 8 раз, а вот «площадь радиатора» для охлаждения увеличится только в 4 раза! А это значит, что чем крупнее животное, тем быстрее оно перегревается (и тем медленнее замерзает).
Ещё пример? Количество еды, необходимой животному, зависит от объёма (веса). А длина ног? Она зависит от линейного размера! Если мы увеличим рост (то есть «длину шага») в два раза, то количество нужной еды (и воды, кстати, тоже) увеличится в восемь раз! А это значит, что чем крупнее животное, тем сложнее ему наесться и напиться.
Смотрите, какие интересные закономерности. Точно так же можно оценивать прочность костей, силу мышц, скорость передачи импульсов по нервам... Попробуем разобрать на практике, не возражаете?
Помните комиксы, фильмы и сериалы про ужасного монстра Годзиллу? Такой огромный звероящер-мутант, у которого чудовищные размеры, огромная сила, острые зубы внутри гигантской пасти и «атомное дыхание», почти как у сказочного дракона? Который может расшвыривать танки, пушки и реактивные самолёты, как детские игрушки, и ломать как спички, огромные стойки линий электропередач? Про этого супермонстра, между прочим, снято больше 30 фильмов!
Давайте применим к Годзилле наши знания биомеханики! Итак, согласно комиксам, рост монстра – 60 метров. Взрослый человек (для простоты расчётов пусть рост его будет высокий – 2 метра) в спокойном состоянии генерирует 80 ватт энергии в час, опытный спортсмен во время соревнований – в среднем 400 ватт в час, ну а во время «финального рывка» может развить мощность около 1 киловатта. Само собой, чтобы возместить такие энергопотери, человеку нужно есть – а спортсмену тем более (до 4000 килокалорий в сутки!). Что же показывают расчёты для Годзиллы? 60 разделить на 2 равно 30. Тогда объём тела (и количество необходимой энергии, и пищи тоже) увеличится в... 27 тысяч раз! То есть «в покое» Годзилле нужны 2 мегаватта энергии, а «на рывке» – 27 мегаватт. Для сравнения – электростанция ТЭЦ-1 в Костроме обладает мощностью 33 мегаватта.
Считаем еду. 4000 килокалорий для спортсмена «на рывке» – это (приблизительно) 2 килограмма мяса. Тогда Годзилле, чтобы швырять танки и самолёты, понадобилось бы... 54 тонны мяса в сутки. Это коровье стадо в 200 голов. Реально такое в живой природе? Нет. бедный Годзилла умер бы от голода.
Теперь вспомним про такую вещь, как сброс тепла! Масса тела и тепло как оцениваются? Через объём. Вырабатывает Годзилла в 27 000 раз больше тепла, чем человек, а вот «сбрасывает» в окружающую среду – только в 900 раз больше! А ещё вспомним, что у человека теплосброс идёт через мягкую тонкую кожу с большим количеством потовых желёз – а у Годзиллы непробиваемая костяная броня (пули и снаряды не берут). Реально такое в живой природе? Нет. Годзилла просто сварился бы заживо от собственного внутреннего тепла.
Человеческие кости очень прочны – они могут «на сжатие» выдержать давление до 150 мегапаскалей. Вес Годзиллы в 27 000 раз больше веса человека. Но прочность кости пропорциональна площади её сечения – но и кости Годзиллы в 30 раз больше по диаметру, то есть прочность их возрастёт только в 900 раз! Чтобы выдержать гигантский вес Годзиллы, его кости должны быть из материала в несколько раз прочнее любого известного людям титанового сплава! А если кости «обыкновенные», то Годзилла под собственным весом просто сложится, как карточный домик! К этому можно добавить ещё и то, что чудовищного давления не выдержат также хрящи и суставы Годзиллы – биомеханика доказывает, что его колени просто лопнут, как перезревшие помидоры.
Напоследок – про давление крови. Не будем больше сильно утомлять вас цифрами и расчётами – вы уже и сами понимаете, что для того, чтобы гнать кровь (примерно 135 000 литров) по организму, в том числе доставлять её к мозгу (на высоту 60 метров), понадобятся кровеносные сосуды колоссальной прочности, а также невероятной мощности сердце. Если обыкновенный жираф – просто гипертоник, то бедолага-Годзилла, едва родившись, умер бы от инфаркта или инсульта.
«Всё это очень интересно и занятно, – скажете вы, – но всем и так понятно, что истории про Годзиллу – это выдумки писателей-фантастов! Какой смысл проверять формулами почти сказочного героя?».
Хорошее замечание, дельное. Ну что ж, тогда давайте вспомним про динозавров. Мы с вами в XXI веке уже привыкли к тому, что динозавры (благодаря тем же самым фильмам или даже детским игрушкам) уже как будто бы «живут рядом с нами». В многочисленных фильмах и видеоиграх мы можем видеть, как эти удивительные животные жили – ходили, питались, выхаживали детёнышей. И никаких вопросов как бы уже нет, «наука всё уже открыла», верно?
Но погодите. Ведь на самом деле учёные находили только окаменевшие кости этих животных! Иногда более-менее целые скелеты, но гораздо чаще – только отдельные фрагменты. Откуда же мы знаем, как именно эти животные жили? Как передвигались? Какими они были в живой природе сотни миллионов лет тому назад? На эти вопросы в состоянии ответить только одна наука – биомеханика и биомеханическое моделирование (в том числе компьютерное). И, кстати говоря, до сих пор вопросов у настоящих учёных (в отличие от кинорежиссёров) намного больше, чем ответов.
Скажем, для того, чтобы ответить на вопрос – как именно двигался динозавр? – нужно прежде всего оценить его вес и понять, где именно был расположен центр тяжести тела. А оценки учёных тут на самом деле очень разные. Как сказать где расположен центр тяжести, если нам неизвестна даже точная длина тела?! Скажем, огромный аргентинозавр – один из самых крупных динозавров, обнаруженных учёными. Какова была его длина? «Не знаем точно, – отвечают учёные, – примерно от двадцати до тридцати пяти метров». Подумайте – ведь это ну очень грубая оценка. Это как оценить рост первоклассника Сидорова «примерно от 80 до 180 сантиметров». Какой продавец сможет при такой точности продать на Сидорова брюки и рубашку, а?
А что с весом аргентинозавра? А снова: «Не знаем точно, примерно от шестидесяти до ста десяти тонн». Кхм. «Даша, сколько в тебе килограммов? – Ну, примерно от десяти до девяноста». Да что же это за такое! Нельзя ли поточнее? И вот на такой шаткой основе учёные-биомеханики вынуждены строить сложнейшие компьютерные модели, которые позволяют нам понять (или не понять) – какими же были динозавры. Причём чтобы было правдоподобно, чтобы не получилось, как с Годзиллой – «такого животного в природе не может быть!».
Вот вам пример: если предположить, что динозавры «сделаны из таких же костей и мяса, как и современные животные, и устроены точно так же», то их масса получается очень большой, «эти животные были запредельно тяжёлые, им было невероятно трудно дышать и двигаться». Тогда биомеханики предположили, что внутри тела динозавров были пустые воздушные мешки – как у современных птиц. Тогда средняя плотность тела снижалась, и масса получалась намного более правдоподобной. Большинство современных учёных считает, что у динозавров были воздушные мешки.
Казалось бы, «загадка разгадана», да? Но тут же возникла другая! Те же самые биомеханики, подсчитав возможные места расположения воздушных мешков, пришли к обескураживающему выводу – получалось, что центр плавучести у таких динозавров (скажем, у полуводного брахиозавра) располагался ниже, чем центр тяжести. А что это означает с точки зрения физики, не знаете? А это означает, что в воде тело динозавра было неустойчиво, его должно было постоянно переворачивать и «опрокидывть брюхом кверху»! Можете себе такое представить? Вот и учёные поняли, что «надо искать ответ дальше, и воздушные мешки – вовсе не идеальный ответ»...
До сих пор очень много вопросов у учёных вызывает кровообращение динозавров – как же они могли перекачивать кровь по своему огромному организму. У современных рептилий – даже гигантских комодских варанов – артериальное давление не превышает 10 килопаскалей. А у гигантского диплодока голова находилась на высоте 6 метров относительно сердца – и нужно было давление порядка 80 килопаскалей, 600 миллиметров ртутного столба! Какой же прочностью должны были обладать сосуды? Какой силой должно было обладать сердце? И некоторые современные специалисты – вполне серьёзно! – утверждают, что у крупных динозавров могло быть два сердца. Или даже три! А кто знает? Внутренних органов динозавров не сохранилось, «одни косточки остались».
А как много вопросов до сих пор связано с движением динозавров! Возьмём, наверное, самого популярного динозавра, всеобщего любимца – 12-метровый, 10-тонный Тираннозавр Рекс! Сперва учёные думали, что тираннозавры ходили на двух ногах, опираясь на свой толстый и мускулистый хвост. Именно так тираннозавров рисовали в учебниках биологии ещё в 90-е годы прошлого века. Однако затем исследователи пришли к выводу, что тогда тираннозавры были бы очень медлительными – и решили, что тираннозавры двигались просто «на двух ногах», «бипедально», с хвостом «на весу». Именно такого грозного тираннозавра мы знаем по фильмам «Парк Юрского периода» и «Прогулки с динозаврами». Так?
Так, да не очень так! – отвечают всё те же современные биомеханики. Да, при такой позе тела (а она вполне возможна, если центр тяжести динозавра расположить в нужной точке) тираннозавр мог развивать большую скорость, стать тем самым «грозным охотником из кино». Но... Те же биомеханические расчёты безжалостно показывают – при движении такой тираннозавр обладал колоссальной инерцией, а положение его было максимально неустойчивым. Переводя с языка физики на обычный язык – тираннозавру было невероятно трудно «затормозить», плюс его постоянно «раскачивало» в движении, в повороте его вообще могло «завалить на бок». А упавший на бок десятитонный тираннозавр – при его строении конечностей! – самостоятельно подняться уже не мог. Никак.
Сомневаетесь? А проведите ещё один простой опыт по биомеханике. Возьмите длинную деревянную доску – как минимум вашего роста, а лучше длиннее. Возьмите её за середину (тот самый «центр тяжести») и уложите себе на голову, придерживая руками (наверняка понадобятся мягкая шапка и помощь друзей). Теперь вы – биомеханическая модель бипедального тираннозавра, передний конец доски – голова, задний – хвост. Попробуйте с такой доской на голове походить, побегать, попрыгать, резко развернуться на месте... Вы сразу же почувствуете, как «ходит» доска «по тангажу» (то есть наклоняется вверх-вниз), как она мешает двигаться, лишает манёвренности... Наконец, попробуйте аккуратно упасть набок (не отпуская доску!), а потом самостоятельно подняться на ноги...
«А как же тогда тираннозавр двигался?» – растерянно спросите вы. А вот так – как-то двигался, охотился, «жил да был», в отличие от Годзиллы, по крайней мере кости это подтверждают. Но то, что он двигался «именно так, как в кино» – вовсе не доказанный факт, здесь есть ещё много вопросов и загадок. Многие виды современных ящериц умеют быстро бегать на двух ногах – безусловно, но нельзя «просто так взять и перенести» биомеханику маленькой ящерки на гигантского динозавра!
Читали рассказ «Хозяйственные реформы барона Клейнгампла» писателя Ярослава Гашека? О том, как глупый барон был абсолютно убеждён, что двухсотлетние могучие дубы в парке, окружающем замок, можно «легко и просто пересадить в другое место»? А всё потому, что «читал в книжке по домоводству, что именно так пересаживают фуксии из горшка в горшок. Какая разница – дуб или фуксия? И то и другое – растения!».
«А можно ли предположить, что динозавры были «сделаны» не из таких же материалов, как современные животные?» – спросите вы. Что мышцы динозавров были сильнее, что их нервные волокна быстрее передавали команды от мозга, что что их сердце и кровеносные сосуды были намного прочнее?
Да, предположить можно. Учёные, повторимся, пока находили только кости динозавров. У нас нет (ну, на текущий момент) почти никаких образцов их мягких тканей или, скажем, крови. Но!..
Не так давно в некоторых особо хорошо сохранившихся останках динозавров учёные нашли (говорят, что нашли) следы белка коллагена – того самого «родного» коллагена, которого «до фига и больше» в нашей с вами коже. Исследования показали – коллаген динозавров вполне себе «обыкновенный», очень похож на коллаген тех же птиц... То есть по идее биомеханика должна строить свои теории, считая, что «динозавры сделаны из тех же белков, мяса и костей, что и все современные животные». И тогда – снова возвращаемся всё к тем же самым загадкам...
Сегодня последний день, когда вы можете подписаться на июльский номер журнала "Лучик", который посвящён... совести! Откуда она берётся? Для чего нужна? Как работает? И главное: может ли человек пользоваться совестью – так же, как пользуется умом? Подпишитесь через Почту России или через редакцию журнала. (Журнал будет доставлен по вашему адресу во второй половине июля.)