Zpět na články

Proč slon nezakopne o vlastní nohu? Vědci zmapovali rychlost reflexů u různých savců

Ty nejjednodušší biologické otázky zároveň patří mezi nejtěžší. Jednou z nich je, proč se větší zvířata zdají pomalejší a nemotornější než zvířata menší. Na vině prokazatelně není pouze větší setrvačnost o mnoho hmotnějších těl. Už dříve vědci spočítali, že třeba sloni se pohybují až o 90 procent pomaleji, než bychom očekávali od závislostí platících u malých savců, jako jsou myši nebo rejsci. Do věci očividně vstupuje řada faktorů. Mezi ty nejvýznamnější ale bezpochyby patří rychlost přenosu nervových signálů, nebo ještě lépe, rychlost reflexů.

Slon v porovnání s rejskem působí jako tupá hora těžko koordinovatelné hmoty Slon v porovnání s rejskem působí jako tupá hora těžko koordinovatelné hmoty, zdroj: ThinkStock

Na první pohled se to zdá takřka triviální. Když vedle sebe postavíme myš a slona, je zřejmé, že nervy afrického obra měří mnohonásobně delší vzdálenost než nervy drobného hlodavce. Efektivita přenosu nervového signálu je mezi těmito dvěma savci prakticky totožná, takže každý signál musí u slona překonat delší vzdálenost. Sloní reflexy, natož pak vědomé pohyby, z tohoto důvodu musí být pomalejší.

Když k tomu připočítáme nezbytně pomalejší stahování větších svalů, slon ze srovnání s myší vychází skoro jako tupá hora těžko koordinovatelné hmoty. Větším zvířatům však hraje do karet, že určitá zpoždění v přenosu nervového signálu s velikostí nerostou a v absolutním srovnání jsou naopak více limitující pro drobné živočichy. Citlivost receptorů na povrchu těla, doba, kterou trvá "přeskok" signálu mezi synapsemi (neboli spoji) dvou nervových buněk, nebo rychlost přenosu mezi nervy a svaly jsou u velkých i malých savců srovnatelné.

Jak moc omezuje rychlost nervů, svalů a receptorů pohyb, lov a další činnosti organismů? Jak se tato zátěž mění s velikostí těla? A jaké pohybové, nebo i obecnější, strategie proto musí volit malá a velká zvířata? Na všechny tyto otázky se pokusila nalézt odpovědi dvojice kanadských biologů, která o svých výsledcích referuje ve vědeckém časopise Proceedings of the Royal Society of London B: Biological Sciences.

Rychlost úhybného manévru

Výzkumníci se úmyslně zaměřili na myotatický monosynaptický reflex u savců. Když si odmyslíme odbornou terminologii, jedná se o ten nejjednodušší, nejrychlejší reflex ovládající stah svalu, jehož přenos na cestě k mozku "skáče" z neuronu na neuron pouze jednou. Zároveň se jedná o typ reflexu, který je pro živé organismy velice důležitý.

Vždy když běžící kůň šlápne do díry, nad horskou kozou se ulomí kus skály, nebo na gazelu vyskočí dravec, musí tato zvířata bleskově reagovat. Koordinace prostřednictvím mozku přitom zajišťuje, aby byl "úhybný manévr" účinný. Jakékoli delší zamýšlení by ale jen zvýšilo riziko, že se dalšího dne už nedožijí.

Dobu reflexu si výzkumníci vymezili jako čas od samotného stimulu, například šlápnutí do díry, po stav plného napnutí svalu, který savci umožní se s novou situací vyrovnat. Výsledný čas je součtem reakční doby smyslového receptoru, přenosu signálu po nervové dráze do mozku a z mozku, zpoždění při předávání signálu v synapsi mezi nervy, předání signálu z nervu do svalových buněk, elektromechanického sepnutí svalu a jeho napnutí do maximálně staženého stavu.

Výzkumníci se rovněž zaměřili na trvání kroku a stání nohy při pohybu různě velkých savců. S jeho pomocí mohli ověřit možnost, že pomalejší pohyb velkých savců nervové zpoždění kompenzuje.

Na velikosti (ne)záleží

Literární průzkum ukázal, že rychlost smyslových orgánů savců (zhruba 0,6 milisekundy), jejich synapsí (zhruba 0,7 milisekundy) a předání signálu mezi nervy a svaly (zhruba 0,9 milisekundy) s největší pravděpodobností nezávisí na velikostí organismu. Dále s nimi tedy vědci pracovali jako s konstantními veličinami.

Z kombinace cizích a vlastních výsledků ale naopak vyplynulo, že zbývající složky doby trvání reflexu na velikosti závisí velmi výrazně. Nejsilnější závislost platí očekávaně pro dobu přenosu signálu po nervové dráze.

Poměrně silná a vzájemně podobná závislost na velikosti organismu se ale uplatňuje také při elektromechanickém spínaní svalů a jejich napínání. Důvod této nevýhody objemnějších svalů u větších organismů je patrně fyzikální. Svaly větších organismů se musí napínat na delší vzdálenost a také pomaleji, aby nehrozilo jejich poškození.

Velice zajímavým poznatkem je, že doba přenosu signálu po nervové dráze představuje u malých savců jen velmi nepatrně zpoždění – zhruba 1 milisekundu. Oproti ostatním "zdržením" je takřka zanedbatelná. U velkých savců, jako je například slon, ale může dosahovat až 70 milisekund a představuje tak vůbec nejvýraznější zpomalení při vykonávání reflexu. Doba sepnutí a stažení svalu představuje u savců všech velikostí vůbec největší zpoždění.

Pohyb na hranici možného

Posuďte sami. U drobného rejska tyto dvě fáze zaberou 1 a 6 milisekund. U slona zhruba 25 a 95 milisekund. Nárůst této zátěže s velikostí těla je opravdu enormní. Když sečteme všechna "zpoždění" dohromady, vychází, že reakce rejska na vnější podnět trvá zhruba setinu sekundy. Slon si ale musí zarezervovat osmnáctkrát tolik, zhruba pětinu sekundy.

Můžeme namítnout, že pohyby větších živočichů jsou nutně pomalejší. Například kvůli setrvačnosti, kterou má sloní noha. Větší organismy tak mají více času zareagovat a korigovat pohyb, takže se tím celá nevýhoda smaže.

Trvání kroku a stoje u různě velkých savců ovšem ukazují, že rychlost pohybu klesá s rostoucí velikostí savců pomaleji, než narůstá doba trvání reflexu. Zčásti se tak nevýhoda maže, i tak ale zůstává mezi malými a velkými savci přibližně dvojnásobný rozdíl.

Řečí konkrétních čísel, rejskovi zabere reflex zhruba 25 procent doby kroku. U slona je to 60 procent. To u větších a rychleji pohybujících se zvířat může představovat výrazný problém. Třeba takový kůň běžící tryskem se pohybuje na samé hranici možného.

Živočichové samozřejmě zapojují i jiné, operativnější, mechanismy, prostřednictvím kterých se dokáží vyrovnat s nečekanými změnami vnějšího prostředí. Mezi nimi můžeme uvést třeba mechanickou stabilizaci bez přímého zapojení mozku, specializovanou geometrii chodidel, operativní změny pohybu různých nohou, nebo naopak schopnost předpovědět pravděpodobné změny vnějšího prostředí, kterou vynikají zejména lidé. I tak se ale ukazuje, že rychlost reflexů může velké savce limitovat.

Vylepšení reflexů by se přírodě nevyplatilo

Spolu s tím vyvstává otázka, proč savci své reflexy nezefektivnili. Odpověď na ní je ale patrně jednoduchá. Už by to bylo příliš nákladné. Nervy s větším průměrem by spotřebovaly nepoměrně větší množství energie a nezvládly by inervovat takový počet cílů.

Efektivnější svaly by buď spotřebovaly ohromné množství zdrojů ke svému fungování a údržbě, musely by být slabší, nebo se rychleji unavovaly. Savčí tělo je, zdá se, evolucí velmi dobře vyladěno.

Zpoždění při přenosu nervových signálů a jeho závislost na velikosti těla ale zároveň ukazují, proč si větší organismy mohly dovolit větší mozek a složitější způsoby rozhodování. Zatímco u rejska představuje přenos signálu mezi nervovými buňkami značnou část reakce na změnu vnějšího prostředí, u větších organismů se toto zdržení v době, kterou zabere přenos signálu po nervové dráze, takřka ztratí.

Složitější způsoby rozhodování zahrnující větší množství neuronů tak mezi velkými organismy nepředstavují tak velkou nevýhodu a mohly se rozvíjet. Vedlejším výsledkem průzkumu reflexů a jejich závislosti na velikosti těla je tak možná i odpověď na to, proč si velká zvířata mohla dovolit efektivnější mozek.

Zdroj: More HL & Donelan JM (2018): Scaling of sensorimotor delays in terrestrial mammals. Proceedings of the Royal Society of London B: Biological Sciences, 285.

diskuze: 0 příspěvků, nových

Zpět na články