Геній гальмування

Гепард Acinonyx jubatus — найшвидша тварина на Землі. Він підкараулює необережну жертву в густій траві або в чагарнику, а потім наздоганяє могутнім спринтерським ривком. При максимальній швидкості більше 100 км/год він наздогнав би будь-яку здобич, якби вона мчала по прямій. Але потенційна жертва маневрує, скаче то вправо, то вліво, і досить часто їй вдається втекти від кращого спринтера планети.

Очевидно, для успішного полювання важлива не тільки швидкість. І тут виявилося, що про інші характеристики руху гепардів відомо дуже мало. Навіть відомості про його швидкість недостовірні, тому що її вимірювали в неволі, ганяючи гепарда за приманкою по прямій. Вимірювання в природних умовах теж проводили, але в цьому випадку дослідникам доводилося задовольнятися лише тим, що видно, тобто спостереженнями і відеозаписами, зробленими на відкритій місцевості в світлий час доби.

Можливість виміряти і уточнити багато параметрів руху тварин з’явилася у дослідників з виникненням мініатюрних приладів, що дозволяють вести запис і дистанційне спостереження, і тоді стало ясно, що питання назріло: майже одночасно в друку з’явилися дві роботи, присвячені полюванню гепарда.

Перше дослідження виконали співробітники Королівського ветеринарного коледжу Лондонського університету (The Royal Veterinary College, University of London) за участю колег з Фонду збереження хижаків Ботсвани (Botswana Predator Conservation Trust). Керував цією працею професор Алан Вілсон (Alan Wilson) [1].

Гордістю лабораторії Вілсона є нашийники, обладнані модулем GPS і дуже чутливими електронними датчиками руху. В результаті дослідники могли визначати швидкість, прискорення і нахил тіла гепарда під час руху, а також його координати з точністю до 20 см. Нашийник забезпечений акумулятором, який підзаряджається від сонячної батареї, страхувальною батарейкою і програмним забезпеченням, що дозволяє знімати показання приладів і перепрограмувати їх віддалено, щоб не турбувати тварин. Сам нашийник гепардів теж не обтяжує, оскільки важить всього 340 г. (Детальніше про нашийників для стеження за різними тваринами можна прочитати на сайті лабораторії [2].)

Вчені наділи нашийники на п’ять диких гепардів (трьох самок і двох самців), що мешкають на півночі Ботсвани, і протягом 17 місяців знімали свідчення приладів. За цей час їм вдалося виміряти параметри 367 мисливських пробіжок.

У середньому гепарди полюють 1,3 рази на день, навіть якщо полювання було невдалим. Ознакою успіху вчені вважали легкі потрушування у всіх напрямках — так чутливі прилади реагували на трапезу тварини. Найчастіше гепарди полюють на світанку на відкритій місцевості, хоча іноді віддають перевагу кущам і щільним заростам. Рослинність допомагає їм ховатися, але, загалом, частка успішних полювань скрізь однакова і становить 25-26%. Раціон гепардів на три чверті складається з антилопи імпали Aepyceros melampus, хоча один із самців на прізвисько Куамар, який зазвичай полював у густих заростях, надавав перевагу бородавочникам Phacochoerus africanus.

Про необхідність маневру. Гепард полює за імпалою в північній Ботсвані. Добре видно, що тварини мчать в різні боки. Фотографія Христини Голабек, співавтора Алана Вілсона

Полювання починається з того, що гепард розганяється, буквально за три кроки він збільшує швидкість на 3 м/с, а потім кілька секунд мчить з максимальною швидкістю, яка зазвичай становить близько 15 м/с (54 км/год).

Взагалі гепарди можуть бігати і швидше, за весь час спостереження кожна тварина хоч раз, але розвинула швидкість більше 20 м/с, абсолютний рекорд склав 25,9 м/с (93,24 км/год). З такою швидкістю гепард обжене і борзого собаку, і скакового коня, але тільки на короткій дистанції. Зазвичай гепард під час полювання пробігає близько 173 м, особисті рекорди дальності для різних тварин варіюють в межах 407-559 м.

Переслідуючи жертву, гепард біжить не по прямій, а виписує петлю. Коли видобуток змінює напрямок бігу, гепард гальмує і кидається їй навперейми. На відеозаписі, зробленому співробітниками лабораторії Алана Вілсона, це добре видно [3]. Гальмування настільки різке, що хижак, здається, ось-ось піде по пояс в землю. І чим швидше гепард біжить, тим стрімкіше він гальмує (зафіксований рекорд — 7,5 м/с² при середньому значенні 5,5 м/с²), при цьому швидкість не впливає на початкове прискорення, довжину пробіжки і кут нахилу корпусу тварини. Це означає, що на фінальній стадії полювання швидкість треба неодмінно скинути, причому до певного значення.

а) гепард в нашийнику; b) прилади дозволяють визначати прискорення вільного падіння (g) і центростремне прискорення (v²r^-1), що діють на гепарда на повороті (a — результуючий вектор); c) кігті не втягуються і підсилюють зчеплення; d) коли гепард гальмує, він притискається до землі. Таке положення дозволяє йому зберегти рівновагу, а мускулатура задніх лап поглинає кінетичну енергію (фото зі статті Алана Вілсона зі співавторами)

Швидкий біг, хоча і дозволяє гепарду наздогнати жертву, заважає йому маневрувати. Дослідники підрахували, що гепард, який заклав віраж на максимальній швидкості 25,9 м/с, розвинув би бічне прискорення 13 м/с²; для розвороту на 180 ° йому довелося б виписати петлю радіусом близько 52 м, що зайняло б шість секунд. При середній швидкості 16 м/с радіус повороту дорівнює 19,7 м. Але гепард — неперевершений майстер гальмування. З кожним кроком він сповільнюється на 4 м/с, всього за три кроки скидає швидкість з 16 до 4 м/с (це займає всього секунду), і тоді радіус повороту становить всього 1,2 м.

Гепард чудово пристосований для екстреного гальмування. Мускулатура його спини і задніх лап становить 45% від маси тіла. Його м’язи скорочуються швидше, ніж у собаки, і в режимі гальмування працюють активніше, ніж при прискоренні. Могутні м’язи і товсті кістки дозволяють витримувати великі навантаження: при максимальній швидкості гепард розвиває потужність 120 Вт на кілограм ваги — в два рази більше, ніж у борзих. Щоб такий згусток енергії не занесло на повороті, гепард, гальмуючи, присідає, прогинає спину і активно рулить хвостом. Така поза дозволяє змістити центр мас і скинути кінетичну енергію. Виступаючі подушечки і невтяжні кігті на лапах забезпечують звіру хороше зчеплення із землею.

З цим дослідженням перегукується робота фахівців США, Великобританії та Південної Африки під керівництвом доктора Майкла Скантлбарі (Michael Scantlebury) з Королівського університету Белфаста (Queen’s University Belfast) [4]. Вчені одягли нашийники з датчиками GPS і акселерометрами на шість гепардів, що живуть у парку Кгалагаді (Kgalagadi Transfrontier Park), розташованому на кордоні Ботсвани і ПАР. Прилади могли передавати свідчення протягом 124 годин. Це менше, ніж 17 місяців, але зате весь цей час дослідники спостерігали за кожною твариною і знали, за ким вони полюють.

Виявилося, що раціон у цих гепардів більш різноманітний (кілька видів антилоп і навіть один юний страус), а частка успішних полювань вище. Гепарди Кгалагаді бігають трохи повільніше, ніж на півночі Ботсвани. Середня максимальна швидкість склала 13,9 м/с, довжина пробігу — 379 м, тривалість найдовшої погоні — 59 с, рекорд швидкості — 18,94 м/с.

Дослідники підтвердили, що полювання гепарда складається з трьох частин: прискорення, гонки і фінального маневру, і відзначили, що чим швидше біжить гепард, тим пряміший його шлях. Тварина гальмує за кілька секунд до кінця полювання, і успіх маневру залежить від швидкості гальмування. Вчені також відзначають, що гепард по-різному полює на різний видобуток: гонитва за важкою антилопою гну буде більш монотонною, ніж за маневреною дрібною антилопою.

Дослідники вважають, що гепарди не розгортаються на великій швидкості, тому що їхні задні лапи просто не витримають такого навантаження: для розвороту на 180 градусів енергії потрібно стільки ж, скільки на лінійний пробіг довжиною 5,5 м. І взагалі, на максимальній швидкості жодна тварина не змінює напрямок бігу, навіть коні для поло, яких спеціально виводили для маневрування на відносно невеликому просторі.

Полювання гепарда не шалена гонка, а ретельно розрахована стратегія. Швидкий поворот наприкінці погоні не менш важливий, ніж стрімкий біг на початку. Головне — вчасно загальмувати, і гепарди роблять це з блиском. Гепард — найшвидше гальмо на планеті.

1. A. M. Wilson, J. C. Lowe, K. Roskilly, P. E. Hudson, K. A. Golabek & J. W. McNutt. Locomotion dynamics of hunting in wild cheetahs // Nature. 2013, 498(7453):185-9. doi:10.1038/nature12295.

2. RVC Wildlife Tracking Collars.

3. Matt Kaplan. Speed test for wild cheetahs // Nature. 2013, 498(7453). doi:10.1038/498150a.

4. John W. Wilson, Michael G. L. Mills, Rory P. Wilson, Gerrit Peters, Margaret E. J. Mills, John R. Speakman, Sarah M. Durant, Nigel C. Bennett, Nikki J. Marks and Michael Scantlebury. Cheetahs, Acinonyx jubatus, balance turn capacity with pace when chasing prey // Biol Lett , 2013, 9:20130620. doi:10.1098/rsbl.2013.0620.