Позвоночный робот помог ученым выяснить, как научились ползать первые земноводные – наши весьма далекие предки.

«Саламандра» в движении


«Саламандра» покидает воду

Родоначальниками амфибий (земноводных) считаются кистеперые рыбы, жившие в пресноводных озерах Девонского периода. Они вышли из воды примерно 350 млн. лет назад, когда на древних континентах начали активно пересыхать внутренние моря, озера и обширные болота, занимавшие значительную часть суши. Пресноводные рыбы ощущали постоянную нехватку воды и кислорода, поэтому некоторые из них стали приспосабливаться к наземной среде обитания.

Сперва рыбы научились ползать по земле, отталкиваясь от нее плавниками: когда место обитания начинало стремительно пересыхать, иногда это помогало добраться до другого водоема. Те, кто умел ползать дольше и быстрее, имел больше шансов на выживание, поэтому в результате эволюционного отбора плавники постепенно превратились в конечности, а плавательный пузырь трансформировался в легкие, позволяющие дышать атмосферным кислородом. К тому моменту суша была уже заселена растениями, ракообразными и насекомыми, и еды на ней было предостаточно. Амфибии быстро научились питаться наземными существами, став первыми позвоночными, которые смогли полностью порвать с водной стихией. В конечном счете, именно от них произошли рептилии, птицы, млекопитающие и прочие высокоразвитые формы жизни, в том числе и люди.

Переход к наземному образу жизни был сопряжен не только с физическими, но и с нервными метаморфозами. Он влек за собой существенные изменения в функционировании нервной системы, ответственной за управление мышцами и конечностями. Рыбы перемещаются в воде, извиваясь всем телом, при этом плавники выполняют вспомогательную функцию при маневрировании. Такой способ движения, заданный на уровне врожденных рефлексов, плохо подходит для ползания по земле. Здесь главную роль должны играть именно плавники, зачатки будущих конечностей, причем двигаться они должны в совершенно нехарактерном для водной среды ритме. Кроме того, на земле следует по возможности избавиться от извивания – оно помешает конечностям делать свою работу и обернется лишней тратой сил.

Группа европейских ученых исследовала механизм перехода от плавания к ползанию с помощью специального сконструированного робота. Созданный ими аппарат Salamander состоит из девяти последовательно соединенных сегментов, имитирующих позвоночный столб. Он оснащен четырьмя простыми конечностями, которые позволяют ему ползать, отталкиваясь от земли. Благодаря положительной плавучести, робот также умеет плавать, извиваясь наподобие рыбы или змеи. Работая с ним, ученые искали ответ на три основных вопроса: какие изменения в устройстве спинного мозга были необходимы для перехода от плавания к ползанию? как при этом координировались движения конечностей и тела? и каким образом спинной мозг интерпретировал команду центральной нервной системы к изменению типа передвижения?

В ходе экспериментов робот получал по беспроводной связи простые команды, наподобие тех, которые могли продуцироваться центральной нервной системой амфибии. Они представляли собой прямые указания: «ползи», «плыви», «быстрее», «медленнее», «вправо», «влево» и т.д. Благодаря заложенному набору двигательных шаблонов Salamander самостоятельно преобразовывал эти команды в координированные движения всех частей тела. Он успешно изменял скорость и вектор перемещения, переходил от плавания к ползанию и обратно (увидеть это можно в видеоролике ).

Говорит руководитель исследования, профессор Ауке Ийспирт (Auke Ijspeert): «Робот наглядно показывает, что созданная нами модель очень близка к реальности. Его движения очень похожи на движения настоящих земноводных. Природа разработала очень эффективный способ управления мышцами, при котором простые управляющие сигналы мозга запускают сложные двигательные шаблоны, зашитые в нервных цепях позвоночника. Это фантастически удачное решение позволяет управлять многочисленными степенями свободы очень простым распределенным методом».

По публикации Space Daily