כדי להגיע ממקום למקום על פני היבשה יצורים חיים מתקדמים בדרך כלל בהליכה, ריצה או קפיצה. שלוש הדרכים האלה נבדלות זו מזו לא רק במהירות אלא גם באופי התנועה: בהליכה, שהיא הדרך האיטית ביותר מהשלוש, בכל רגע ורגע רגל אחת או יותר מונחות על הקרקע; יצור רץ לעומת זאת נע מהר יותר וחלק מהזמן כל הרגליים שלו נמצאות באוויר. לכן ריצה היא שיטה יעילה יותר לצבירת מהירות, אך היא דורשת השקעה של הרבה יותר אנרגיה לעומת הליכה מהירה. לבסוף, בקפיצה כל הרגליים מתנתקות מהקרקע בבת אחת, דבר שדורש השקעה רבה מאוד של אנרגיה לפרק זמן קצר.
אנחנו, בני האדם, עושים את כל אלה על שתי רגליים, בצורת תנועה שנקראת "דו-רגליוּת". בדומה לנו גם הציפורים, ומחלקת העופות כולה, הם יצורים דו-רגליים, אך בדרך כלל תנועה על הקרקע היא לא הצד החזק שלהם. אבל לא כל היצורים מסתפקים בשתי רגליים. הקנגורו, למשל, נעזר בזנב השרירי והמסיבי שלו כרגל שלישית; חרקים מתניידים לרוב על שש רגליים; עכבישים על שמונה; מרבית היונקים היבשתיים מהלכים על ארבע רגליים; ויש כמובן בקצוות את אלה שאין להם גפיים בכלל, כמו חלזונות או נחשים, או רבי רגליים בעלי עשרות רגליים ואפילו מאות. כולם מגיעים בסוף ליעדם, אבל כל יצור עושה את זה קצת אחרת.
פרט להבדל במספר הרגליים קיים גם הבדל בסגנון ההליכה, כך שיצורים בעלי אותו מספר רגליים עשויים להשתמש בהן בצורות שונות לגמרי. סגנון ההליכה מוגדר על פי סדר הפעולות של הנעת הגפיים: מתי מרימים אותן מהקרקע, כמה מהר מתבצעות ההרמה ההורדה, וכמה גפיים נוגעות בקרקע בכל רגע ורגע. סדר הפעולות הזה מגדיר תבנית הליכה, ולכל בעל חיים יש כמה תבניות כאלה שמתחלפות בהתאם למהירות הנחוצה לו, אופי פני השטח ומטרת התנועה, למשל הליכה נינוחה לעומת בריחה מסכנה.
לתפוס את הדהרה
את אחד הצעדים הראשונים לעבר פענוח תבניות תנועה עשה ליילנד סטנפורד (Stanford), שלא היה חוקר אלא דווקא איש עסקים ופוליטיקאי אמריקני. סטנפורד, שהיה ממייסדי האוניברסיטה שנקראת על שמו, היה גם הבעלים של מסלולי מרוצי סוסים. בשנת 1872 הוא פתח בניסיונות שנמשכו כמה שנים לפענח את התשובה לשאלה עתיקת יומין: איך סוסים דוהרים? ההשערה המקובלת הייתה שבדהרה מהירה כל רגלי הסוס מתנתקות מהקרקע, כך שלזמן קצר הוא מרחף באוויר עד שאחת מרגליו נוחתת ומתחילה צעד חדש.
הבעיה הייתה שקשה מאוד לעקוב אחרי תנועותיו של סוס דוהר. לכן סטנפורד גייס לעזרתו כלי מחקר מהימנים ומתקדמים מאוד לתקופתו. הוא פנה אל הצלם האמריקני יליד בריטניה אדוארד מייברידג' (Muybridge), שהיה טיפוס מעניין וצבעוני, כדי שיצלם עבורו את דהרת הסוס. מייברידג' הציב לאורך המסלול מצלמות מכניות רבות, שכל אחת מהן הופעלה שבריר שנייה אחרי קודמתה, וכך נוצר רצף של תמונות שתיעד תנועה שהייתה מהירה מדי לקליטה עבור העין האנושית. וכך, אחרי מאמצים ממושכים, פענח מייברידג' לבסוף את חידת הסוס הדוהר ופתח עידן חדש בחקר תבניות התנועה של בעלי חיים.
מהצילומים התברר שלסוס יש כמה תבניות הליכה שונות: הליכה, טפיפה, דהרה איטית או דהרה מהירה. בזמן ההליכה, רק רגל אחת מתרוממת מהקרקע בכל צעד ושלוש האחרות נשארות יציבות על האדמה; הטפיפה היא הליכה קצת יותר מהירה, שמזכירה במקצת דילוג אנושי, שכן הסוס מרים בכל צעד שתי רגליים נגדיות באלכסון – אחת מהקדמיות עם האחורית המנוגדת לה; בדהרה איטית יהיו בכל פעם שלוש רגליים באוויר ורק אחת על הקרקע; וכפי שסטנפורד חזה, בדהרה מהירה יש פרקי זמן שבהם כל רגלי הסוס נמצאות באוויר.
אל קו הסיום
ככלל אפשר לומר שמהירות החיה תלויה בכמות הרגליים שלה, בגודלה הפיזי והמסה שלה, וכן בגמישות ויכולת התנועה של עמוד השדרה שלה. בהכללה גסה, בעלי חיים עם ארבע רגליים יהיו מהירים יותר מיצורים דו-רגליים, בזכות יכולת הדילוג המשופרת שלהם וחלוקת המאמץ בין הגפיים הקדמיות לאחוריות.
למרות יחסי הכוחות הלא שווים, מדי שנה מתקיימים ברחבי העולם מירוצי אדם נגד סוס, שבהם אצנים אנושיים מתחרים בפרשים רכובים על סוסים, לאורך מסלול של 35 קילומטר. לכאורה אלה לא כוחות, שכן סוס בשיא מהירותו יכול להגיע לכ-90 קמ"ש. אולם הסוסים לא מסוגלים להתמיד במהירות הזאת לאורך זמן, ובדהרה איטית קצב תנועתם פוחת עד לכ-20 קמ"ש בממוצע, והרבה פחות מכך בהליכה או בטפיפה.
בני האדם איטיים יותר: שיא העולם בריצת 100 מטר שייך לאצן אוסיין בולט, שעבר את המרחק בקרוב לתשע שניות וחצי, כך שמהירותו הממוצעת של האדם המהיר ביותר בעולם היא כ-37 קמ"ש לאורך מאה מטר. רצי מרתון מהדרג הגבוה ביותר נעים במהירות ממוצעת של כ-20 קמ"ש. ובכל זאת, למרות פערי היכולת הניכרים בריצה בין סוסים לבני אדם, פעם בכמה שנים מנצח אדם במירוץ. זה מתאפשר מכמה סיבות. ראשית בני אדם, בעיקר כאלה שמשתתפים מיוזמתם במרוצי מרתון, הם בעלי כושר התמדה ומסוגלים לרוץ במשך זמן רב. סוסים אמנם רצים מהר יותר, אך המהירות הגבוהה מאוד יעילה רק למרחקים קצרים, וקשה מאוד לשמור עליה לאורך זמן – גם אם אתם סוסים. בנוסף, בני אדם מנצחים במרוצים הללו בעיקר במקרים בהם מזג האוויר חם ולח, מכיוון שיכולת צינון הגוף אצל בני האדם יעילה יותר מזו של סוס, והחום מגביל אותם פחות.
מהירות מתפרצת
הברדלס (Acinonyx jubatus) הוא טורף ממשפחת החתוליים שנחשב לאוסיין בולט של הסוואנה האפריקנית. הברדלס צד בעיקר בשעות היום ומתמחה במארב והתקפה פתאומית ומהירה של אוכלי עשב קטנים כמו צבאים ואנטילופות אחרות. הוא נחשב ליונק היבשתי המהיר ביותר בעולם החי ויכול להגיע ממצב עמידה למהירות של כ-100 קמ"ש בתוך כ-30 שניות – אפילו במכוניות ישנות זה לא תמיד מובן מאליו.
מבנה גופו של הברדלס מותאם היטב לריצה המהירה. יש לו רגליים ארוכות וחזקות שדוחפות את כל הגוף קדימה ושכמות מוגבהות עם בית חזה גדול ובולט. הטפרים שלו נשארים שלופים באופן קבוע – בניגוד לאלה של חברים אחרים במשפחת החתוליים – ועל ידי כך מפחיתים את החיכוך עם הקרקע ובה בעת משפרים את האחיזה שלו בה, בדומה לנעלי פקקים של כדורגלנים. ולבסוף, הוא נהנה מעמוד שדרה גמיש במיוחד שמאפשר לו להעביר את הרגליים האחורית לפני הרגליים הקדמיות בזמן שהוא דוחף את הגוף קדימה, וכך לרוץ במהירות שיא. אך לצד ההתאמה האבולוציונית המופלאה שלו, הריצה המהירה דורשת מהברדלס השקעה עצומה של אנרגיה והוא לא מסוגל להתמיד בה לאורך זמן. לכן אסטרטגית הצייד שלו צריכה להיות מהירה ומוצלחת, כי כל כישלון עולה לו במאמץ אדיר.
ומה יעשה מי שחי בסוואנה ולא מסוגל לרוץ כמו הברדלס? זאבים טלואים (Lycaon pictus), למשל, נעזרים באסטרטגיה הפוכה, של ציד בהתשה. הם הרבה פחות מהירים מהברדלס, אבל מסוגלים לרוץ למרחקים ארוכים. השילוב של ציד בלהקה עם מעקב עיקש אחרי הטרף למרחקים ארוכים הופך אותם לאחד הטורפים המוצלחים בסוואנה. במירוץ ממושך הם יכריעו בקלות כל ברדלס.
מה הוא קופץ?
מהירות היא המרחק שגוף – למשל יצור חי – עובר בפרק זמן מסוים. כדי שהמהירות תהיה גבוהה אפשר להגדיל את מספר הצעדים שבעל החיים עושה בפרק הזמן הזה, או להתקדם בצעדים גדולים יותר. ואכן יש יצורים שלקחו את הרעיון של צעדים גדולים מאוד בשיא הרצינות.
הקנגורו האדום (Macropus rufus) מתקדם על רגליו האחוריות החזקות והשריריות בקפיצות, ונעזר בזנבו החזק והשרירי כדי לייצב את תנועתו ולתמוך בה. הקנגורו האדום יכול לנתר קדימה למרחק של תשעה מטרים, בזכות מבנה הרגליים שלו, ובמיוחד גיד האכילס, שהוא רקמת חיבור שנמצאת בחלק האחורי של הרגל ומחברת בין שריר לעצם. אצל הקנגורו האדום הגיד הזה עבה, חזק וגמיש במיוחד, ופועל כמו קפיץ שנטען באנרגיה אצורה בכל קפיצה ומשחרר את האנרגיה בקפיצה הבאה.
אבל הקנגורו האדום הוא בעל חיים גדול שיכול להגיע למשקל של כמה עשרות קילוגרמים, והמסה שלו מגבילה את יכולת הקפיצה שלו. אם נשווה את היכולות של הקנגורו ליצור קטנטן בעל מנגנון פעולה דומה נוכל להבין את יעילותו. פרעושים הם טפילים מוצצי דם שחיים על גופם של חתולים, כלבים ויונקים נוספים. מדובר בחרקים זעירים שאורכם אינו עולה על כשני מילימטר, וכשהם נמצאים על פרוות הפונדקאי שלהם הם זוחלים או הולכים עליה. אבל כשהם צריכים לצלוח מרחקים, למשל כדי לעבור בין פונדקאים, יש להם פתרון מצוין.
לפרעושים יש יכולת ניתור מופלאה. הרגליים האחוריות המפותחות במיוחד שלהם מאפשרות להם לקפוץ לגובה ולנסות את מזלם באיתור פונדקאי חדש עם דם עסיסי ומזין. פרעושים מסוגלים לנתר לגובה של כ-20 ס"מ, כלומר פי חמישים עד מאה מאורך גופם. לשם השוואה, זה שקול לכך שגבר בגובה ממוצע ינתר לגובה של 170 מטר.
מנגנון הניתור של הפרעוש מבוסס על חלבון גמיש בשם רזילין (Resilin) שהאלסטיות שלו גבוהה עד כדי כך שהוא מסוגל לשחרר בחזרה כמעט את כל האנרגיה שהוא ספג. לגמישות הזאת מצטרף מנגנון נצרה, שפורק את כל האנרגיה האצורה בבת אחת ברגע שהפרעוש מרפה את שריריו. כך מאמץ פיזי מזערי מספק לו יכולת קפיצה עצומה יחסית לממדיו.
המסלול המתאים ביותר
בסופו של דבר, כמו תמיד באבולוציה, הכול הוא שאלה של התאמה לסביבה שבה כל יצור חי. הדרך היעילה ביותר שבה בעל חיים נע במרחב משתלבת באופן הדוק עם תצורת השטח שבו הוא חי, לרבות הצרכים והסכנות שהיא מזמנת לו.
בני האדם הם אולי לא אלופי המהירות או הסיבולת, וגם הניתור שלנו לא מרשים במיוחד, אבל צורת התנועה שלנו מגוונת במיוחד ומאפשרת לנו ליישם דרכי ניעה נוספות, כולל זחילה על ארבע במקומות צרים ונמוכים, טיפוס, קפיצה, גלגול ועוד. השילוב של כל אלה עם כפות ידיים שמסוגלות לאחוז במשטחים ולייצב אותנו ומוח שמאפשר לנו ליצור לעצמנו כלים מביא לידי כך שאין סביבה שבה איננו יכולים להתקדם.
ורד שפירא, מכון דוידסון לחינוך מדעי, הזרוע החינוכית של מכון ויצמן למדע
