Серед фізичних характеристик тваринного світу існує аномалія. Хоча такі атрибути, як м’язова сила, довжина придатка, довголіття та маса мозку, як правило, зростають зі збільшенням розміру організму, максимальна швидкість, досягнута під час бігу, досягає піка для істот середнього зросту. Щоб з’ясувати чому, міжнародна група дослідників, у тому числі Імперський, Гарвардський університет, Університет Квінсленда та Університет Саншайн-Кост, розробила фізичну модель того, як м’язи, універсальний двигун тварин, обмежують максимальну швидкість бігу наземних тварин.
Провідний автор доктор Девід Лабонте з відділу біоінженерії Імперського коледжу Лондона сказав: «Найшвидші тварини — це не великі слони і не крихітні мурахи, а середнього розміру, як гепарди. Чому швидкість бігу порушує звичайні моделі, які керують більшістю інших аспектів анатомії та продуктивності тварин?»
Їхні висновки свідчать про те, що існує не одна межа максимальної швидкості бігу, як вважалося раніше, а дві: наскільки швидко та як далеко скорочуються м’язи. Максимальна швидкість, яку може досягти тварина, визначається залежно від межі, досягнутої першою, і ця межа визначається розміром тварини.
Співавтор професор Крістофер Клементе з Університету Саншайн-Кост і Університету Квінсленда сказав: «Ключ до нашої моделі полягає в розумінні того, що максимальна швидкість бігу обмежується як швидкістю скорочення м’язів, так і тим, наскільки вони може скорочуватися під час сутички.
«Тварини завбільшки з гепарда живуть у фізичній привабливій точці вагою близько 50 кг, де ці дві межі збігаються. Отже, ці тварини є найшвидшими, розвиваючи швидкість до 65 миль на годину».
Результати опубліковані в Nature Communications.
Тестування меж
Перше обмеження, яке називається «обмеженням кінетичної енергії», передбачає, що м’язи менших тварин стримуються тим, наскільки швидко вони можуть скорочуватися. Оскільки дрібні тварини створюють великі сили відносно своєї ваги, біг для маленької тварини схожий на спробу прискоритися на низькій передачі під час велосипедного спуску.
Друга межа, яка називається «межа працездатності», передбачає, що м’язи більших тварин стримуються тим, наскільки їхні м’язи можуть скорочуватися. Оскільки великі тварини важчі, їхні м’язи виробляють менше сили в порівнянні з їхньою вагою, і біг більше схожий на спробу прискоритися під час їзди на велосипеді в гору на високій передачі.
Співавтор, доктор Пітер Бішоп з Гарвардського університету, сказав: «Для великих тварин, таких як носороги чи слони, біг може здаватися підйомом величезної ваги, тому що їхні м’язи відносно слабші, а сила тяжіння вимагає більших витрат. В результаті обох випадків тварини змушені сповільнюватися, коли вони стають більшими».
Щоб перевірити точність своєї моделі, команда порівняла свої прогнози з даними про швидкість і розмір наземних тварин, зібраними від понад 400 видів , від великих ссавців, птахів і ящірок до крихітних павуків і комах. Модель точно передбачила, як максимальна швидкість бігу залежить від розміру тіла для тварин, які відрізняються більш ніж на 10 порядків величини маси тіла – від крихітних кліщів вагою 0,1 міліграма до шеститонних слонів.
Їхні висновки проливають світло на фізичні принципи еволюції м’язів і можуть стати основою для майбутніх конструкцій роботів, які відповідають атлетизму найкращих бігунів. Окрім пояснення того, як швидко тварини можуть бігати, нова модель також може надати важливі підказки для розуміння відмінностей між групами тварин. Великі рептилії, такі як ящірки та крокодили, зазвичай менші та повільніші за великих ссавців.
Співавтор доктор Тейлор Дік з Університету Квінсленда сказав: «Одним із можливих пояснень цього може бути те, що м’язи кінцівок становлять менший відсоток тіла рептилій за вагою, тобто вони досягають межі роботи при меншій масі тіла. , і, отже, потрібно залишатися маленьким, щоб швидко рухатися».
Модель, поєднана з даними про сучасні види, також передбачила, що наземні тварини вагою понад 40 тонн не зможуть рухатися. Найважчим наземним ссавцем на сьогодні є африканський слон, який важить близько 6,6 тонни, але деякі наземні динозаври, як-от патаготитан, ймовірно, важили набагато більше ніж 40 тонн.
Дослідники кажуть, що це вказує на те, що ми повинні бути обережними, оцінюючи м’язову анатомію вимерлих тварин на основі даних про невимерлих. Натомість вони припускають, що дані вказують на те, що вимерлі гіганти могли розвинути унікальну м’язову анатомію, яка потребує додаткового вивчення.
Дослідження піднімає питання про те, як масивним динозаврам вдалося пересуватися, а також питання, які вимагають більш цілеспрямованого збору даних про конкретні групи тварин, як-от рептилії чи павуки. Хоча в дослідженні розглядалися лише наземні тварини, дослідники потім застосують свої методи до тварин, які літають і плавають.
Доктор Лабонте сказав: «Наше дослідження піднімає багато цікавих запитань про фізіологію м’язів як вимерлих тварин, так і тих, які живуть сьогодні, включаючи людей-спортсменів. Фізичні обмеження впливають на плаваючих і літаючих тварин, так само як і на бігаючих тварин, і розблокування цих обмежень стоїть на нашому порядку денному».