Группа исследователей из таких учреждений, как Имперский колледж Лондона и Гарвардский университет, обнаружила, что максимальная скорость бега у животных самая высокая у видов среднего размера из-за ограничений на скорость и степень сокращения мышц, что бросает вызов предыдущим представлениям о едином пределе скорости. Их исследование, раскрывающее двойную систему ограничений, включающую пределы кинетической энергии и пределов работоспособности, предполагает, что животные весом около 50 кг, такие как гепарды, достигают самых высоких скоростей благодаря своей физической «сладкой зоне». Фото: SciTechDaily.com
Среди физических характеристик животного мира существует аномалия. Хотя такие характеристики, как мышечная сила, длина придатков, долговечность и масса мозга, обычно увеличиваются по мере увеличения размера организма, максимальная скорость, достижимая при беге, достигает пика у существ среднего роста.
Чтобы выяснить, почему, международная группа исследователей, включая Империал, Гарвардский университет, Университет Квинсленда и Университет Саншайн-Коста, разработала физическую модель того, как мышцы, универсальный двигатель животных, устанавливают ограничения на максимальную скорость бега наземных животных. .
Ведущий автор д-р Дэвид Лабонте из Имперский колледж ЛондонДепартамент биоинженерии США заявил: «Самые быстрые животные — это не большие слоны и не крошечные муравьи, а среднего размера, как гепарды. Почему скорость бега не соответствует обычным закономерностям, которые определяют большинство других аспектов анатомии и работоспособности животных?»
Их результаты показывают, что существует не один предел максимальной скорости бега, как считалось ранее, а два: насколько быстро и насколько сильно сокращаются мышцы. Максимальная скорость, которую может достичь животное, определяется тем, какой предел будет достигнут первым, и этот предел определяется размером животного.
Соавтор, профессор Кристофер Клементе из Университета Саншайн-Кост и Университета Квинсленда, сказал: «Ключом к нашей модели является понимание того, что максимальная скорость бега ограничена как тем, насколько быстро сокращаются мышцы, так и тем, насколько сильно они может сокращаться во время схватки.
«Животные размером с гепарда существуют в физической оптимальной зоне при весе около 50 кг, где эти два предела совпадают. Следовательно, эти животные самые быстрые, развивая скорость до 65 миль в час».
Результаты опубликованы в Природные коммуникации.
Тестирование пределов
Первый предел, называемый «пределом емкости кинетической энергии», предполагает, что мышцы мелких животных ограничены тем, насколько быстро они могут сокращаться. Поскольку мелкие животные генерируют большие силы относительно своего веса, бег для них немного похож на попытку ускориться на низкой передаче при спуске на велосипеде.
Второй предел, называемый «пределом работоспособности», предполагает, что мышцы более крупных животных ограничены тем, насколько сильно их мышцы могут сокращаться. Поскольку крупные животные тяжелее, их мышцы производят меньшую силу по сравнению с их весом, и бег больше похож на попытку ускориться при подъеме на велосипеде в гору на высокой передаче.
Соавтор доктор Питер Бишоп из Гарвардского университета сказал: «Для крупных животных, таких как носороги или слоны, бег может ощущаться как подъем огромного веса, потому что их мышцы относительно слабее, а гравитация требует больших затрат. В результате и того, и другого животным в конечном итоге приходится замедляться по мере того, как они становятся больше».
Чтобы протестировать точность своей модели команда сравнила свои прогнозы с данными о скорости и размере наземных животных, собранными из более чем 400 разновидностьот крупных млекопитающих, птиц и ящериц до крошечных пауков и насекомых.
Модель точно предсказала, как максимальная скорость бега зависит от размера тела животных, масса тела которых различается более чем на 10 порядков – от крошечных 0,1-миллиграммовых клещей до шеститонных слонов.
Их результаты проливают свет на физические принципы, лежащие в основе эволюции мышц, и могут стать основой для будущих проектов роботов, которые будут соответствовать атлетизму лучших бегунов на животных.
Помимо объяснения того, насколько быстро могут бегать животные, новая модель может также дать важные подсказки для понимания различий между группами животных. Крупные рептилии, такие как ящерицы и крокодилы, обычно меньше и медленнее крупных млекопитающих.
Соавтор доктор Тейлор Дик из Университета Квинсленда сказал: «Одним из возможных объяснений этого может быть то, что мышцы конечностей составляют меньший процент от тела рептилий по весу, а это означает, что они достигают рабочего предела при меньшем весе тела. , и поэтому нам приходится оставаться небольшими, чтобы двигаться быстро».
Модель в сочетании с данными о современных видах также предсказала, что наземные животные весом более 40 тонн не смогут двигаться. Самым тяжелым из ныне живущих наземных млекопитающих является африканский слон весом около 6,6 тонны, однако некоторые наземные динозавры, такие как патаготитан, вероятно, весили гораздо больше 40 тонн.
Исследователи говорят, что это указывает на то, что нам следует с осторожностью оценивать мышечную анатомию вымерших животных на основе данных о невымерших животных. Вместо этого они предполагают, что данные указывают на то, что вымершие гиганты могли иметь уникальную мышечную анатомию, которая требует дальнейшего изучения.
Исследование поднимает вопросы о том, как огромным динозаврам удавалось передвигаться, а также вопросы, которые требуют более целенаправленного сбора данных о конкретных группах животных, например, о рептилиях или пауках.
Хотя в исследовании рассматривались только наземные животные, в дальнейшем исследователи применят свои методы к животным, которые летают и плавают.
Доктор Лабонте сказал: «Наше исследование поднимает множество интересных вопросов о физиологии мышц как вымерших животных, так и тех, кто жив сегодня, включая людей-спортсменов. Физические ограничения влияют на плавание и полет животных так же, как и на бег животных – и устранение этих ограничений является следующей задачей в нашей повестке дня».
Ссылка: «Динамическое подобие и своеобразная аллометрия максимальной скорости бега» Дэвида Лабонте, Питера Дж. Бишопа, Тейлора Дж. М. Дика и Кристофера Дж. Клементе, 11 марта 2024 г., Природные коммуникации.
DOI: 10.1038/s41467-024-46269-w
Это исследование финансировалось Австралийским исследовательским советом, Программой Human Frontier Science и Европейским исследовательским советом (ERC) в рамках программы исследований и инноваций Европейского Союза Horizon 2020.