Най-бързото животно на сушата е гепардът, който може да достигне максимална скорост от 104 километра в час. Във водата най-бързите животни са жълтоперата риба тон (Thunnus albacares) и уаху (Acanthocybium solandri), които могат да достигнат скорост съответно от 75 и 77 км в час. Във въздуха титлата за най-бърз хоризонтален полет отива при белогушия иглоопашат бързолет с повече от 112 км в час.
Какво е общото между всички тези бързи същества? Нито едно от тях не е нито особено голямо, нито особено малко за групата животни, които представлява. Всъщност всички те са със среден размер.
Причината за това е малко загадка. Когато животните увеличават масата си, се променят и някои биологични характеристики. Например обикновено дължината на краката се увеличава. Но очевидно дългите крака не са решението, тъй като най-големите сухоземни животни, например слоновете, не са от най-бързите.
Кристофър Клементе (Christofer Clemente), доцент по еволюционна биомеханика от Университета на Съншайн Коуст, и неговите колеги са направили важна стъпка към разрешаването на тази мистерия. Чрез използването на мащабируем виртуален модел на човешкото тяло те успяват да изследват движението на крайниците и мускулите, успяват да разберат какво ограничава скоростта и да придобят представа за еволюцията на човешката форма в продължение на хиляди години. Констатациите са публикувани в списанието Nature Communications, а научно-популярна статия за темата е публикувана в The Conversation.
От човек с размер на мишка до гигант
От началото на 2000-те учените изграждат OpenSim - свободно достъпен виртуален модел на човешкото тяло, заедно с всичките му кости, мускули и сухожилия.
Този модел е използван в различни научни изследвания за изучаване на движенията на човека, изследвания на науката за фитнес упражненията и в помощ на моделирането на ефектите от операции върху меките тъкани.
Използвайки OpenSim през 2019 г. група белгийски изследователи правят крачка напред и изграждат базирана на физиката симулация. Те не казват на модела как да се движи, а му определят да се движи напред с определена скорост. След това моделът избира кои комбинации от мускули да активира, за да може да ходи или да бяга с предписаната скорост.
Кристофър Клементе си задава въпрроса какво ще стане, ако се отиде още по-далеч и се намалимодела до размера на мишка или ако се увеличи модела до размера на слон?
"Тогава успяхме да видим кои модели могат да работят - и колко бързо", разказва Клементе. "Взехме стандартния човешки модел (75 кг) и направихме все по-малки и по-малки модели до 100 грама. Също така направихме моделите по-големи, до 2000 кг, и ги накарахме да тичат възможно най-бързо".
Предсказуеми симулации на мускулно-скелетни модели от 5 кг, 50 кг и 500 кг, движещи се с 2,25 метра в секунда.
Точната маса
Случват се няколко удивителни неща.
Първо, моделът от 2000 кг не може да се движи. Нито пък моделът от 1000 кг. Всъщност най-големият модел, който може да се движи, бе 900-килограмовият, което означава, че това е горната граница на човешката форма. Отвъд този размер трябва да се промени формата, за да се движи.
Екипът открива също, че най-бързият модел не е нито най-големият, нито най-малкият. Най-бързият модел тежи около 47 кг, колкото средностатистически гепард.
Най-важното е, че изследователите имат възможността да "погледнат под капака и да видят защо това е така".
Кривата, която обяснява формата на максималната скорост на движение с масата, е същата форма като кривата, която обяснява максималната сила на налягане върху земята с масата. Това има смисъл: за да се движите по-бързо, трябва да се оттласнете от земята по-силно.
Но защо по-големите модели не могат да се отблъснат по-силно от земята? Изглежда, че по-големите модели са ограничени от мускулите си.
Способността на мускула да произвежда сила зависи от площта на напречното сечение на този мускул. И тъй като животните нарастват по размер, масата на техните мускули расте по-бързо от площта на напречното им сечение.
Това означава, че мускулите на по-големите животни са относително по-слаби. Мускулите стигат своя максимум над максималната скорост – и затова моделът става по-бавен.
В другия край на спектъра, миниатюрните модели имат относително по-силни мускули, но имат проблем с гравитацията. Просто са прекалено леки. Те се опитват да избутват земята, за да произведат по-голяма сила, но това кара тялото им да напусне земята само по-рано.
За да се опитат да произведат повече сила на оттласкване от земята, те приклекват с крайниците си, точно както са краката на мишките или котките. Това им позволява да застанат по-близо до земята и така да произвеждат повече сила, точно както бихте приклекнали, когато скачате от място. Но това отнема време. И колкото повече време ви е необходимо, за да произведете сила, толкова по-бавна ще бъде крачката ви и пак няма да бягате по-бързо.
Това е компромис между силата на оттласкване от земята и честотата на крачките и максимумът за бързина се постига, когато се достигне междинния размер, където масата е подходяща.
Моделът на скоростта и размера на бягащите животни (в синьо), показващ видове със среден размер (като гепард), обикновено са най-бързите. Компютърно генерирани модели на хора (вдясно), които след това се мащабират по размер от мишка до кон (оранжеви точки), показват същия модел, разкривайки основните биомеханични причини. Кредит: Nature Communications (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-52924-z
Колко по-бързо можем да бягаме
Какво може да каже всичко това за човешката еволюция?
Размерът на съвременните хора и изчезналите човешки видове - група, наречена "хоминини" - варира значително, от приблизително 30 кг Australopithecus afarensis, който е съществувал преди приблизително 3.5 милиона години, до приблизително 80-килограмовия Homo erectus от почти преди 2 милиона години.
Така че като цяло, телесната маса има тенденция да се увеличава - и вероятно така също и нашата скорост на бягане. Homo naledi, който е съществувал преди около 300 000 години и е тежал около 37 кг, и Homo floresiensis, който е съществувал преди около 50 000 години и е тежал около 27 кг, трябва да са пожертвали бързината си заради малкия си размер.
Средната телесна маса на съвременния възрастен човек е около 62 кг - малко повече от 47-те кг тегло, установено от моделирането като най-подходящо за бързина, но все още близо до този идеален размер.
Интересното е, че много от най-бързите бегачи на дълги разстояния като Елиуд Кипчоге тежат около 50 кг.
И така, въз основа на новите изследвания, сега се знае, че хората днес са почти максимално бързи – без големи промени в мускулната им форма.
Справка: Christofer J. Clemente et al, Predictive musculoskeletal simulations разкриват механистичната връзка между скоростта, стойката и енергетиката сред съществуващите бозайници, Nature Communications (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-52924-z
Тази статия е препубликувана от The Conversation под лиценз Creative Commons. Прочетете оригиналната статия.
Още по темата
Човекът
Ходенето на къси разстояния изразходва от 20% до 60% повече енергия, отколкото непрекъснато ходене на същото разстояние
Човекът
Хората могат да бягат със скорост до около 60 км/ч. Рекордите предстоят
Човекът
Как Олимпийските игри проверяват за допинг и достатъчно ли е това?
Коментари
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!
Няма коментари към тази новина !
Последни коментари