来自伦敦帝国理工学院和哈佛大学等机构的一组研究人员发现，由于肌肉收缩速度和程度的限制，中型动物的最大跑步速度最高，这挑战了之前单一速度限制的概念。他们的研究揭示了一个涉及动能容量和工作能力限制的双重约束系统，表明50公斤左右的动物，如猎豹，由于它们的身体“甜蜜点”，达到了最高的速度。来源:SciTechDaily.com
动物世界的生理特征中存在着一种反常现象。虽然肌肉力量、附属物长度、寿命和脑质量等属性通常随着生物体型的增加而增加，但中等身材的生物在跑步时所能达到的最大速度达到峰值。
为了探究其中的原因，包括帝国理工学院、哈佛大学、昆士兰大学和阳光海岸大学在内的一个国际研究小组开发了一个物理模型，研究动物的通用动力肌肉是如何限制陆地动物的最高跑步速度的。
来自伦敦帝国理工学院生物工程系的首席作者大卫·拉邦特博士说:“最快的动物既不是大型大象，也不是小型蚂蚁，而是中等体型的动物，比如猎豹。”为什么跑步速度与控制动物解剖和表现的大多数其他方面的规律不同?”
他们的研究结果表明，最大跑步速度并不是像之前认为的那样只有一个限制，而是有两个:多快和肌肉收缩的距离。动物能达到的最高速度是由先达到的极限决定的，而这个极限是由动物的体型决定的。
来自阳光海岸大学和昆士兰大学的合著者克里斯托弗·克莱门特教授说:“我们模型的关键是理解最大跑步速度受到肌肉收缩速度和收缩时肌肉收缩程度的限制。”
“像猎豹这样大小的动物在50公斤左右的身体上是最适合的，这两个极限是一致的。因此，这些动物是最快的，速度可达每小时65英里。”
研究结果发表在《自然通讯》杂志上。
测试极限
第一个极限被称为“动能容量极限”，表明小型动物的肌肉受到它们收缩速度的限制。因为小动物相对于它们的体重会产生很大的力，所以对小动物来说，跑步有点像在骑自行车下坡时试图以低速加速。
第二个极限被称为“工作能力极限”，表明大型动物的肌肉受到肌肉收缩程度的限制。因为大型动物更重，它们的肌肉产生的力量相对于它们的体重来说更小，跑步更类似于在高速骑车上山时试图加速。
来自哈佛大学的合著者彼得·毕晓普博士说:“对于像犀牛或大象这样的大型动物来说，跑步可能感觉就像举起一个巨大的重量，因为它们的肌肉相对较弱，重力需要更大的成本。”两者的结果是，随着动物变大，它们最终不得不放慢速度。”
为了测试他们模型的准确性，研究小组将其预测与从400多种物种收集的陆地动物速度和大小数据进行了比较，从大型哺乳动物、鸟类、蜥蜴到小型蜘蛛和昆虫。
该模型准确地预测了体重差异超过10个数量级的动物(从0.1毫克的微小螨虫到6吨重的大象)的最大跑步速度如何随体型变化。
他们的发现揭示了肌肉进化背后的物理原理，并可以为未来设计与最佳动物跑步者的运动能力相匹配的机器人提供信息。
除了解释动物跑得有多快之外，这个新模型还可能为理解动物群体之间的差异提供关键线索。大型爬行动物，如蜥蜴和鳄鱼，通常比大型哺乳动物更小、更慢。
来自昆士兰大学的合著者泰勒·迪克博士说:“一种可能的解释是，四肢肌肉在爬行动物身体中所占的比例较小，这意味着它们在较小的体重下达到了工作极限，因此必须保持较小的体型才能快速移动。”
该模型结合了现代物种的数据，还预测体重超过40吨的陆地动物将无法移动。当今最重的陆地哺乳动物是非洲象，重约6.6吨，而一些陆地恐龙，如巴塔哥提龙，可能重达40吨以上。
研究人员说，这表明我们应该谨慎地根据未灭绝动物的数据来估计灭绝动物的肌肉解剖结构。相反，他们认为这些数据表明灭绝的巨人可能已经进化出独特的肌肉解剖结构，这值得更多的研究。
这项研究提出了关于大型恐龙如何移动的问题，以及需要对特定动物群体(如爬行动物或蜘蛛)进行更有针对性的数据收集的问题。
虽然这项研究只研究了陆地动物，但研究人员接下来将把他们的方法应用于会飞和会游泳的动物。
拉邦特博士说:“我们的研究提出了许多关于已灭绝动物和现存动物(包括人类运动员)肌肉生理学的有趣问题。身体上的限制对游泳和飞行动物的影响和对奔跑动物的影响一样大，解开这些限制是我们的下一个议程。”
参考文献:David Labonte、Peter J. Bishop、Taylor J. M. Dick和Christofer J. Clemente撰写的“动态相似性和最大跑步速度的特殊异速”，2024年3月11日，《自然通讯》。DOI: 10.1038 / s41467 - 024 - 46269 - w
这项研究由澳大利亚研究委员会、人类前沿科学计划和欧盟地平线2020研究和创新计划下的欧洲研究委员会(ERC)资助。
