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
Прост Човек
Последната теорема на Стивън Хокинг преобръща времето и причинността
Прост Човек
Разрязването на фотон на две създава безкраен рояк от частици
zlatkov
Учени сканират 74 милиона радиосигнала от междузвезден обект за признаци на извънземни технологии
Джендо Джедев
За срещата на Земята с Халеевата комета през 1910 г. някои са пили "противокометни хапчета"