Полисахарид который образует экзоскелет насекомых. Экзоскелеты на службе у человека
Когда звучит слово «скелет», нам обычно сразу представляется голый череп и позвоночник, соединенные множеством различных костей. Он действительно такой, но далеко не у всех организмов нашей планеты. Многие животные обладают наружным скелетом. Как он выглядит и какие функции выполняет, вы узнаете далее.
Что такое наружный скелет?
Мышцы, связки и скелет вместе образуют опорно-двигательный аппарат организма. Благодаря им происходят все, даже наименьшие по усилию движения. Скелет в этой системе играет пассивную роль. Это каркас, который служит опорой для мышц и защитой для внутренних органов.
Он бывает:
- внутренний;
- внешний;
- гидростатический.
Наименее распространен гидростатический скелет. Он лишен твердых частей и свойственен только мягкотелым медузам, червям и актиниям. Внутренний, или эндоскелет есть у всех Он состоит из костей и хрящей, полностью обтянут тканями организма.
Наружный скелет характерен в основном для беспозвоночных, но может присутствовать и у позвоночных. Он не прячется внутри тела, а полностью или частично покрывает его сверху. Экзоскелет состоит из различных органических и неорганических соединений, например, хитина, кератина, известняка и т.д.
Не все организмы обладают только одним видом «каркаса». Некоторые виды имеют и внутренний, и наружный скелеты. К таким животным относятся черепахи и броненосцы.
Полипы
Полипы - одни из самых «ленивых» существ на планете. Они предпочли практически не двигаться самостоятельно, а жить, вцепившись за морское дно, словно растения. Твердого скелета не имеют только актинии. У остальных он представлен белком (горгонарии, чёрные кораллы) или известью (мадрепоровые).
Известковый наружный скелет обычно называют кораллом. В его мелких отверстиях находятся сами полипы, связанные друг с другом мембраной из живых тканей. Животные формируют целые многочисленные колонии. Вместе их экзоскелеты образуют «подводный лес» или рифы, на которых размещаются целые острова.
Основная часть рифов расположена в водах Юго-Восточной Азии. Самой крупной колонией в мире является Большой Барьерный риф в Австралии. Он тянется на 2500 километров и держит на себе больше 900 островов.
Моллюски
Моллюски обладают одним из самых красивых и разнообразных наружных скелетов. Науке известно около двухсот тысяч видов этих животных, у каждого из которых свое строение. Экзоскелет большинства моллюсков представлен раковиной. В её состав может входить арагонит или конхиолин с примесями кальцита, ватерита, углекислого кальция и карбоната кальция.
Часть животных обладает спиралевидной раковиной, завитки которой закручиваются по кругу (улитки) или в виде конуса (лестничный эпитониум). На широком конце находится отверстие - устье. Оно бывает узким и широким, овальным, круглым или в виде длинной щели.
У ципреи или ужовок каждый новый завиток перекрывает предыдущий, отчего спираль плохо различима, и создаётся впечатление, что её нет вовсе. А вот у двустворчатых её действительно нет. Их раковина состоит из двух выпуклых симметричных частей, которые открываются и закрываются, как шкатулка.
Скелеты моллюсков, как правило, не гладкие. Они покрыты микроскопичными чешуйками, бороздами и выпуклостями. У отдельных видов от раковин отходят колючки, кили, гребни и пластины из вариаций карбоната кальция.
Членистоногие
Тип членистоногих включает ракообразных, насекомых, паукообразных и многоножек. Их тело имеет четкую форму и разделено на сегменты. В связи с этим наружный скелет членистоногих сильно отличается от покровов кораллов и моллюсков.
Каждый сегмент их тела обволакивают прочные кутикулы (склериты) из хитина и других примесей, которые соединяются между собой упругими и гибкими мембранами, обеспечивая подвижность животному.
У насекомых прочная, но эластичная кутикула представляет внешний слой скелета. Под ней находится слой гиподермы и базальные мембраны. Она состоит из жиробелковых комплексов, которые не дают организму животных пересыхать.
У ракообразных кутикула более прочная и пропитана известью, которой со временем становится все больше. У некоторых видов скелет может быть прозрачным и мягким.
Кутикула содержит в себе пигменты, которые придают животным разнообразную окраску. Сверху она обычно покрывается чешуйками, выростами и волосками (хетоидами). У отдельных представителей покровы оснащены железами, выделяющими яд или пахучие вещества.
Позвоночные
Прочные внешние покровы встречаются и среди более развитых животных. Наружный представлен панцирем. Он является надёжной защитой для животного, так как способен выдерживать тяжесть в двести раз больше веса своего хозяина.
Панцирь состоит из толстого верхнего кератинового слоя в виде плотно скреплённых щитков и внутреннего костного слоя. Изнутри к ним крепится позвоночник и рёбра, повторяя дугообразную форму панциря. Часть скелета, покрывающая спину, называется карапаксом, а брюшной щит - пластроном. Все щитки на них растут независимо от других и приобретают годовые кольца, когда животное впадает в зимний сон.
Панцири могут иметь различные цвета и рисунки, но в основном их окрас замаскирован под внешнюю среду. У звёздчатых черепах щитки черные и выпуклые, с жёлтыми «звёздами» в центре. У африканского киникса он более сдержан и имеет однотонный жёлто-коричневый цвет.
Тертые сверчки, добавляемые в еду, успокаивают иммунитет и улучшают кишечную микрофлору.
Многие знают библейское выражение «питаться акридами и диким медом», что в иносказательном смысле означает жить впроголодь, вести суровый образ жизни – еще бы, ведь акридами в Библии называют некую съедобную саранчу. И хотя сейчас, как мы знаем, в традиционной кухне у многих народов есть разнообразные «акриды», нам кажется, что есть насекомых можно только с очень большой голодухи.
Однако, как пишут в Scientific Reports
исследователи из Висконсинского университета в Мадисоне , такой рацион может быть вполне полезен для здоровья – как раз благодаря «акридам». В эксперименте участвовали два десятка здоровых мужчин и женщин в возрасте от 18 до 48 лет, которые либо ели на завтрак ели обычную еду, либо же им в маффины и молочные коктейли подмешивали растертых в порошок сверчков.
Через две недели все менялось: те, которые ели до этого обычный завтрак, теперь получали еду со сверчками, а те, которые ели еду со сверчками, на следующие две недели получали обычные завтраки. У всех у них брали анализы крови, пробы кишечной микрофлоры и еще подробно расспрашивали о гастрономических привычках, и все это проделывали трижды: в начале эксперимента, в середине (то есть когда меняли нормальные завтраки на сверчковые и обратно) и в конце. Пока исследователи делали анализы, они не знали, какие пробы какому человеку принадлежат.
По личным ощущениям добровольцев, сверчковый порошок никаких побочных эффектов в пищеварении не вызвал. Притом после еды со сверчками в крови у них становилось меньше белка TNF, про который известно, что он стимулирует воспаление – то есть диета с порошком из насекомых успокаивала иммунитет. Также после сверчков повышалась активность одного фермента, который считается признаком здорового кишечника, а в самом кишечнике становилось больше полезной бактерии Bifidobacterium animalis , улучшающей пищеварение.
В эксперименте участвовало немного людей, и результаты хорошо бы подтвердить в исследованиях с более мощной статистикой. И желательно также выяснить, что именно в сверчках делает их полезными. Впрочем, можно предположить, что тут все дело в хитине – природном полисахариде, который образует экзоскелет насекомых.
Хитин – химический родственник растительных пищевых волокон, которые тоже представляют собой природные полисахариды. Растительные волокна служат пищей для кишечной микрофлоры, которая при этом выделяет разные полезные веществ – именно поэтому диетологи советуют есть побольше овощей и фруктов. Хитин, конечно, все-таки отличается от растительной клетчатки, но, возможно, наши кишечные бактерии могут питаться и им тоже – к обоюдной пользе для них и для нас.
Про еду из насекомых сейчас часто вспоминают в свете экологических проблем, которые сопутствуют обыкновенному животноводству. В насекомых есть все необходимые питательные вещества, притом выращивать их порой проще и не требует так много энергетических затрат, как разведение домашнего скота.
Впрочем, даже если у них найдут еще какую-нибудь пользу, вряд ли сверчковые, саранчовые или термитные фермы в скором времени заменят скотоводческие хозяйства; с другой стороны, едим же мы раков и креветок, а ведь они ближе к насекомым, нежели к свиньям и коровам.
Скелет этого типа - характерная особенность членистоногих. Экзоскелет (кутикула) секретируется эпидермисом; он не содержит клеток и состоит в основном из хитина . Это твердый наружный покров тела, который построен из сочлененных между собой пластинок или трубчатых образований. Трахеи, передний (стомодеум) и задний (проктодеум) отделы пищеварительного тракта тоже выстланы хитином. Хитин - прочный, легкий материал, однако он может приобретать твердость при встраивании в него "задубленных" белков или при обызвествлении (особенно у водных ракообразных). В участках скелета, которые должны сохранять подвижность, например в местах сочленения пластинок, хитин остается неизмененным. Такая конструкция из пластинок или трубочек, соединенных гибкими пленками, обеспечивает одновременно и защиту, и подвижность.
Членистоногие - это единственная группа беспозвоночных, имеющая членистые конечности, которые состоят из рычагов, соединенных подобием шарниров. Эти рычаги приводятся в движение мышцами-сгибателями и разгибателями, прикреплен-ными к внутренним выступам экзоскелета (рис. 17.1). Поскольку хитин проницаем для воды, наземным членистоногим, таким как насекомые, могло бы грозить высыхание. Однако этого не происходит благодаря эпикутикуле - воскоподобному слою, который секретируется железистыми клетками эпидермиса и через протоки выводится на поверхность (рис. 4.33). Таким образом, экзоскелет не только служит опорой и защитой для внутренних органов, но и предохраняет тело от обезвоживания.
Для таких мелких животных, как большинство членистоногих, экзоскелет из полых трубчатых элементов служит очень удобной опорной и локомоторной структурой; трубка может, не сгибаясь, выдерживать значительно большие нагрузки, чем плотный цилиндр той же массы. Однако с увеличением размеров и веса животного такая организация становится менее удобной - для сохранения достаточной прочности толщина и масса экзоскелета должны были бы возрасти настолько, что он в конце концов оказался бы слишком тяжелым и громоздким.
Рост происходит при линьках - у насекомых на ювенильных стадиях (личинки или нимфы), а у ракообразных и во взрослом состоянии. В определенное время старый экзоскелет сбрасывается (линька) и обнажается новый - мягкий и растяжимый. Животное растет, пока новая кутикула еще не затвердела, благодаря ее способности растягиваться и увеличиваться в размере, что часто сопровождается также изменением формы. В конце концов новый экзоскелет становится жестким, но до того момента животное уязвимо для хищников. В этот период скелет не способен поддерживать вес тела и всякого рода движения практически невозможны. Для водных животных подобная проблема не столь серьезна, так как вода помогает им поддерживать вес тела, однако в период линьки и водные, и наземные животные, как правило, прячутся в укрытиях, чтобы уменьшить опасность быть схваченными хищником. Линька - это процесс, требующий значительных затрат энергии (в первую очередь на построение нового экзоскелета) и сопряженный с потерей материала при сбрасывании старой кутикулы.
Экзоскелеты увеличивают силу человека, повышают производительность и возвращают утерянные способности. Они помогают инвалидам, облегчают труд в промышленности и совершенствуют армию.
Что такое экзоскелет
В дословном переводе с греческого экзоскелет – это внешний скелет. Автоматическая конструкция, которая восстанавливает утраченные или усиливает имеющиеся функции тела.
Он состоит из прочного каркаса и приводов, которые отвечают за перемещения. Такие системы дублируют работу опорно-двигательного аппарата, рассчитывают усилия и безопасность движений.
Экзоскелеты делают пассивными и активными. Первые не увеличивают силу и не забирают на себя физическую нагрузку, а распределяют её по телу. У активных моделей есть свой упор на земле. Они берут часть нагрузки на себя. Так пользователь поднимает больше тяжестей – получается эффект увеличения силы.
Первые экзоскелеты
Идеи о костюме, который повышает способности, зародились в фантастике. Принципы на эту тему сформулировал русско-американский инженер-механик Николай Ягн. Правда, дальше теории дело не пошло. Единственная воплощённая задумка – автоматический прибор, подающий воду в паровые котлы – «Друг кочегара».
Первый экзоскелет сделали в Пентагоне. Он назвался – Hardiman. Это был станок с большим манипулятором, в который нужно было вставлять руку для управления. Его грузоподъёмность была 110 кг, но Hardiman не принёс серьёзной пользы. Он был слишком большим и тяжёлым (680 кг).
С 1980-х – появились перспективные проекты. В 1990-х началось производство в разных странах. Костюмы по-прежнему были неуклюжими, но приближались к тому, чтобы использоваться в жизни.
Сейчас большая часть экзоскелетов делается для медицины, армии или промышленности.
Экзоскелеты для инвалидов
Ekso GT
Экзоскелет для реабилитации после инсульта и травм спинного мозга. Ekso GT – это пара роботизированных ног с костылями для ходьбы. Встроенное ПО собирает статистику о том, сколько энергии уходит на каждое движение робота, а какие действия человек выполняет сам.
Hybrid Assistive Limb (HAL)
Есть для ног (HAL 3) или для рук-ног-торса (HAL 5). Помогает поднять груз в 5 раз больше, чем может человек. Нужен для реабилитации парализованных. Приводы этого экзокостюма работают от импульсов мускул. Кроме людей с проблемами здоровья, HAL полезен пожилым, строителям, работникам МЧС.
REX
Скелет для людей с дисфункцией ног. Он помогает ходить, вставать, садиться, подниматься по лестнице, двигаться назад и даже делать «лунную походку». Пользователь управляет им с контрольной панели и джойстика.
REX может убрать осложнения, связанные с долгим пребыванием в инвалидном кресле.
Phoenix
Экзокостюм для свободной ходьбы при параличе ног. Сильно отличается от громоздких моделей прошлого десятилетия по размеру и весу (12 кг). Это возможно из-за использования только двух приводов на бёдрах. Колени поддерживаются в нужном положении за счёт систем натяжения.
eLegs
Экзоскелет для людей с параличом или нарушениями работы ног. Масса – 20 кг. Подходит для человека с ростом 157-193 см. Скорость движения – около 3 км/ч.
Костюм предугадывает действия за счёт датчиков наклона, например, помогает встать с инвалидного кресла, когда пользователь подаётся вперёд и опирается на костыли.
ReWalk
Бионический экзокостюм для пациентов с параличом ног. Он помогает стоять, ходить, идти вверх по лестнице. Управление ведётся через пульт в руке.
Военные экзоскелеты
Министерства обороны и военно-исследовательские институты разных стран ещё с прошлого века пытаются разработать лёгкую, простую и прочную систему для солдат.
В Пентагоне этим занимается агентство перспективных разработок DARPA, в России – институты и инженерные бюро, действующие по заказу Минобороны. Схожие проекты ведутся в Китае, Японии, Израиле, европейских странах.
XOS 2
Один из самых известных экзоскелетов для армии. Его задача – увеличение физических способностей солдата. Броня в снаряжение не включена.
Костюм помогает в логистике и штурмах. Он прибавляет сил, достаточных для переноса больших тяжестей, разрушения деревянных брусов и кирпичных стен.
Talos
Это комплексный костюм. У него есть функции брони и системы, увеличивающей силу. Он помогает вести бой со снаряжением до 45 кг. Костюм отслеживает жизненные показатели и даже останавливает кровотечение.
Состав и конкретные характеристики оборудования обычно не публикуются – Talos показывают на тематических выставках с общей презентацией.
ExoHiker
Этот скелет не позиционируется как армейский, но интересен для военных. Его задача – облегчить перенос тяжёлых рюкзаков во время похода. ExoHiker весит 14 кг, но снимает нагрузку 70 кг. На одном заряде без подключения солнечной батареи он проходит 65 км со скоростью около 4 км/час.
Промышленные экзоскелеты
H-Lex
Аппарат для подъёма тяжестей от Hyundai. Он подходит для маломобильных людей, но неудобен из-за больших габаритов. Поэтому основной упор сделан на работу в промышленности. Там, где приходится поднимать до 60 кг.
Chairless Chair
Этот экзостул для тех, кто работает на ногах. Он снимает напряжение в мышцах, когда нужно долго находиться в полуприседе, сидеть на корточках или стоять. Удобно для работы в цеху, на упаковочной линии, кухне, парикмахерской. Аппарат гибкий и подвижный.
Exosuit
Разработка для водолазов, которая помогает выдержать давление воды и низкую температуру на глубине 300 метров. По сути, это усиленный водолазный костюм весом в 240 кг с четырьмя двигателями.
MS-02 PowerLoader
Роботизированный костюм для многих задач. Разработчики предлагают использовать его в спасательных операциях, где нужно поднимать объекты массой до 100 кг.
В системе есть несколько манипуляторов, а в подошвах «ног» расположены датчики. Они анализируют нагрузку на человека в шести векторах и рассчитывают, сколько машинных усилий нужно приложить для помощи.
MAX SuitX
Экзоскелет для грузчиков. Конструкция дублирует опорно-двигательный аппарат, убирая с него часть нагрузки. Она постоянно висит на человеке в деактивированном состоянии, но автоматически распознаёт момент начала работы и включается.
Assist Suit AWN-03
Силовой экзоскелет от Panasonic для складских рабочих. Он закрепляется на плечах, бёдрах и пояснице. Основная задача – убирать нагрузку с позвоночника и мышц спины во время переноса тяжестей.
Российские экзоскелеты
ЭкзоАтлет
Российская разработка для реабилитации пациентов с проблемами ног и спинного мозга. Один из пилотов и амбассадоров ЭкзоАтлета – параолимпийский чемпион по кёрлингу на колясках Виталий Данилов.
Промышленный экзокостюм от разработчиков из Перми. По расчётам, он увеличивает производительность труда в машиностроительной, строительной и аварийно-спасательной работах в 2-5 раз.
ExoBelt
Пассивный экзоскелет от компании «ЭкзоАтлант». Проект пока в стадии разработки. Предполагается, что он снимет до 40% нагрузки со спины во время переноса тяжестей.
Первым партнёром компании станет «Сбербанк». Экзоскелет будут тестировать сотрудники, которые переносят мешки с золотом и другими ценностями
Экзоскелеты будущего
Индустрия растёт: аппараты уменьшаются в размерах, функции становятся шире. Появляются модели не только для медицины, промышленности или армии:
ARAIG
Экзоскелет-контроллер для геймеров. Он создан не для переноса грузов или повышения способностей. Этот костюм погружает пользователя в игровую реальность: меняет температуру, имитирует попадание снарядов, контакт с землёй и препятствиями.
Костюм, разработанный Североатлантическим Космическим Агентством для космонавтов. Он нужен для работы с большими тяжестями в условиях невесомости.
У аппарата четыре привода на коленях и бёдрах и шесть сочленений. Разработчики планируют добавить ещё. Костюм подходит для работы на МКС и поддержки мышечного тонуса в невесомости – он отправляет данные о космонавтах медикам на Землю.
Где купить экзоскелет и сколько он стоит
Цена материалов делают экзоскелеты дорогими. Например, российский ЭкзоАтлет стоит больше 1 млн рублей. Костюмы иностранного производства на порядок дороже. Например, REX P – 9,5 млн рублей.
Постепенно появляются производители с менее низкими ценами. Так, Cyberdyne выпускает HAL для рук, ног и всего туловища, которые можно купить от $4 200.
Цену на аппараты лучше узнавать на сайтах производителей, но для общей информации подойдут и эти ресурсы:
- TIU
Конструкцию экзоскелета люди подсмотрели у насекомых. И как показывает практика, экзоскелет увеличивает физические способности человека в разы. Точно так же внешний скелет работает и у насекомых. Но как же крепятся к такому скелету мускулы, и что защищает органы?
Несмотря на фактическое наличие скелета, насекомые относятся к классу беспозвоночных. Скелет человека, как и множества млекопитающих, расположен внутри тела и включает в себя позвоночник, рёбра и конечности. К скелетным костям крепятся мышцы, которые приводят его в движение. Насекомые же «вывернуты наизнанку».
Как комары убили 52 000 000 000 человек?
