Mantinely pohybu (1) – Proč v přírodě nejsou kola

Kolo je všude. Najdete ho pod autem, pod nákupním košíkem i v dětském kočárku. Patří k nejelegantnějším lidským vychytávkám, protože má nízké tření v místě uložení na ose a stálý kontakt s podložkou a mění točivý moment na pohyb vpřed. Přesto když se rozhlédnete po živém světě od bakterie po velrybu, najdete nohy, ploutve, křídla, vlnění těla, trysku, hlen nebo bičík. Volně se otáčející kolo na nápravě nenajdete skoro nikde.

Tohle vypadá jako paradox. Evoluce měla miliardy let. Oko vzniklo opakovaně. Křídlo také, u hmyzu, pterosaurů, ptáků i netopýrů. Kolo jako způsob dopravy ale prakticky nevzniklo. Buď je příroda hloupá, nebo kolo není tak univerzální výhra, jak si myslíme. A nepřekvapivě je správě to druhé.

Pohyb živých těl je vyjednávání s prostředím. Rozhoduje tření, viskozita, gravitace, hustota média a velikost těla. Mantinely nastavuje fyzika a evoluce v nich jen zkouší, co projde.

Lokomoce

Lokomoce je přemísťování celého těla z místa na místo. Ohýbání listu za světlem ani růst kořene do země se nepočítají, i když je to taky pohyb. Při lokomoci se posouvá těžiště vůči okolí a okolí musí na tento posun odpovědět silou.

Newtonovská intuice stačí i bez vzorců. Když zatlačíte do země dozadu, země zatlačí dopředu. Když voda odteče dozadu, tělo jede dopředu. Když vzduch dostane od křídla hybnost, vzniká vztlak a tah. Bez média, které umí sílu vrátit, se nikam nedostanete. Ve volném kosmu se bez opory jen vznášíte setrvačností.

Proto první otázka zní v čem se hýbete a jak velcí jste. Stejný sval a stejný plán těla dávají jiný výsledek na skále, v písku, ve vodě a ve vzduchu. O tom bude zbytek seriálu. Nejdřív ale přijdou kola, protože na nich jde vidět, jak snadno si pleteme lidskou techniku s tím, co má smysl v přírodě.

Proč kola skoro nejsou

Pravé kolo v inženýrském smyslu potřebuje kruhový element a osu, na které se volně otáčí. Bez volného otáčení z toho kolo není. Je to válec, který se kutálí celý, nebo noha, která se ohýbá v kloubu.

Biologický problém pěkně pojmenoval Stephen Jay Gould v eseji Kingdoms Without Wheels (přetištěné třeba ve sbírce Hen’s Teeth and Horse’s Toes). Živá tkáň potřebuje zásobování cévami, živinami a nervy. Když se jedna část těla pořád dokola otáčí vůči zbytku, cévy a nervy se zkroutí nebo musí být přerušené. U mikrobů se přes rotační spáru dají molekuly propašovat difuzí. U zvířete velikosti myši nebo koně už difuze nestačí a potřebuje potrubí. To se s volnou nápravou nesnese.

Anatom Michael LaBarbera v The American Naturalist (1983) navíc argumentoval, že ještě důležitější je užitečnost kola v přírodním terénu. Kolo exceluje na tvrdé, relativně rovné a souvislé podložce, tedy na silnici, na kolejích nebo na hladké podlaze. Příroda je plná kořenů, kamenů, děr, sypkého písku, bahna, větví a schodů o výšce srovnatelné s průměrem kola. Nohy umí překračovat. Kolo na překážce o výšce řádově jeho poloměru rychle ztrácí výhodu a čím je menší, tím je to horší, protože drobná nerovnost je pro něj hora.

Evoluce navíc nestaví podle plánu. Skládá z toho, co už existuje a co dává mezivýhodu. Poloviční oko ještě něco vidí. Poloviční křídlo může pomáhat při pádu nebo klouzání. Poloviční kolo, tedy kus disku, který se pořádně netočí, často nepomůže vůbec. Richard Dawkins takové řešení popisoval jako ležící za údolím. Z inženýrského pohledu ho vidíte, ale postupnými kroky k němu cesta nevede.

Kola tedy narážejí na tři překážky:

• Volná náprava se neslučuje se zásobováním živé tkáně.
• Bez silnic kolo často prohrává s nohou, vlněním nebo lezením.
• Složité řešení bez užitečných mezikroků vzniká jen těžko.

Lidská technika všechny tři překážky obchází najednou. Stavíme cesty. Kola děláme z mrtvého materiálu (kov, guma, dřevo), který nepotřebuje krev. A navrhujeme celek najednou, ne po drobných mutacích.

Kutálení není kolo

Příroda umí rotovat, jen jinak, než čekáte od auta.

Celé tělo se může stát kolem bez nápravy. Někteří pavouci (třeba namibijský Carparachne aureoflava) se při útěku kutálejí z duny. Luskouni a někteří pásovci se svinou a kutálejí se z kopce. Semena a plody se kutálejí po zemi. Hovnivalové valí kuličky trusu, ale to je spíš práce s předmětem než lokomoce vlastním kolem.

U všech těchto případů se využívá setrvačnost a tvar. Nikde ale neprochází tělem stálá osa, na které by se točil oddělený disk napájený cévami. Je to chytré řešení, jen ve zcela jiném smyslu než technické kolo s nápravou.

Jediné místo, kde život opravdu postavil trvalý rotační motor s hřídelí, je mikrosvět. Bakteriální bičík sedí v membráně jako molekulární turbína a točí se tisíce otáček za minutu. Funguje to mimo jiné proto, že v tak malém měřítku stačí difuze a Reynoldsovo číslo je extrémně nízké. O tom bude řeč později v seriálu, až se podíváme pod mikroskop. Příroda tedy kolo našla tam, kde dává fyzikální smysl, a ne tam, kde byste čekali nápravu u koně.

Média a pohyb v nich

Ještě zbývá užitečnější otázka. Jaká média vůbec existují a co v nich vyhrává?

Na pevném povrchu se chodí, běhá, skáče, leze a plazí vlněním těla. Rozhoduje tření, opora a to, jestli podložka drží nebo se sype.

Ve vodě se plave vlněním těla, ploutvemi nebo tryskou. Tělo je skoro nadnášené, ale odpor hustého média je obrovský. Proto se rychlí plavci znovu a znovu vracejí k tvaru torpéda.

Ve vzduchu se mává křídly, plachtí a klouže. Vzduch je řídký, takže vztlak musí zvíře vytvářet pořád znovu nebo umět krást energii z větru a stoupavých proudů.

V písku, hlíně a noře není médium podlaha. Je to překážka i opora zároveň. Válcovité tělo a rycí lopaty tu často porazí dlouhé nohy.

Na hladině drží tělo povrchové napětí. Vodoměrka po ní běhá a nepotopí se. Bazilišek umí na chvíli běžet po hladině úplně jiným mechanizmem.

V mikrosvětě vyhrává viskozita nad setrvačností. Veslování, jak ho znáte z bazénu, přestává fungovat a nastupují bičíky a řasinky.

Ještě jedna osa prochází vším a to velikost. Mezi rejskem a modrou velrybou se liší nejen tempo metabolizmu, o čemž jsme psali v článku Limity velikosti organizmů. Liší se i přípustné způsoby pohybu. Když tělo zmenšíte 1000x, voda se začne chovat, jako by houstla. Když ho zvětšíte, gravitace začne lámat kosti a křídla.

Závěr

Kola v přírodě chybí hlavně proto, že lidská technika řeší jiný problém než tělo v lese, v písku nebo v buňce. My jsme si nejdřív urovnali svět (cesty, podlahy, koleje) a teprve pak nechali kola zářit. Život se musel pohybovat dřív, než někdo cestu urovnal.

V příštích dílech nebudeme sbírat kuriozity. Budeme skládat mantinely: tření a Reynoldsovo číslo, energii chodů, způsoby hadího lezení, nohy a skok, vodu, vzduch, hlen, tunel a nakonec mikrosvět, kde sedí to jediné opravdové biologické kolo.