Новое исследование Имперского колледжа Лондона дало ответ на давний вопрос о том, почему наземные животные среднего размера, такие как гепарды, как правило, самые быстрые. Результаты опубликованы в журнале Nature Communications.
В животном мире есть несоответствие. Хотя многие ключевые характеристики, такие как сила, длина конечностей, продолжительность жизни и размер мозга, имеют тенденцию увеличиваться с увеличением размера животных, максимальная скорость бега, как правило, выше у животных среднего размера.
Чтобы выяснить, почему, международная группа исследователей, включая Imperial, 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 доктор Дэвид Лабонте из факультета биоинженерии Имперского колледжа Лондона сказал: «Самые быстрые животные — это не большие слоны и не крошечные муравьи, а средние по размеру, как гепарды. Почему скорость бега нарушает обычные закономерности, которые управляют большинством других животных? аспекты анатомии и продуктивности 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.
«Ключом к нашей модели является понимание того, что максимальная скорость бега ограничена как скоростью сокращения мышц, так и тем, насколько сильно они могут сокращаться во время схватки», - сказал соавтор исследования профессор Кристофер Клементе из Университета Саншайн-Кост и Университета Квинсленда. «Животные размером с гепарда существуют в физической наилучшей точке при весе около 50 кг, где эти два предела совпадают. Следовательно, эти животные являются самыми быстрыми, достигая скорости до 65 миль в час».
Первый предел, называемый «пределом 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.
«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 животные в конечном итоге придется замедлиться, поскольку они становятся больше», - сказал соавтор исследования Питер Бишоп из Гарвардского университета.
Чтобы проверить точность своей модели, команда сравнила свои прогнозы с данными о скорости и размере наземных животных, собранными у более чем 400 видов: от 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 клещей весом 0,1 миллиграмма до шеститонных слонов.
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.
Они также могут дать важные подсказки для понимания различий между группами животных. Крупные рептилии, такие как ящерицы и крокодилы, обычно меньше и медленнее крупных млекопитающих.
«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 теле. вес, и поэтому нам приходится оставаться небольшими, чтобы двигаться быстро», - сказал соавтор исследования Тейлор Дик из Университета Квинсленда.
Модель в сочетании с данными современных видов 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 данные показывают, 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.
«Наше исследование поднимает множество интересных вопросов о физиологии мышц как вымерших животных, так и тех, которые живы сегодня, включая людей-спортсменов. Физические ограничения влияют на плавающих и летающих животных так же, как и на бегущих животных, и раскрыть эти ограничения – значит следующий в нашей повестке дня», - сказал Лабонте.
