Почему люди имеют идеальный размер для бега

Самым быстрым животным на суше является гепард, способный развивать максимальную скорость 110 километра в час. В воде самыми быстрыми животными являются желтоперый тунец и ваху, которые могут развивать скорость 75 и 77 км в час соответственно. В воздухе звание самого быстрого горизонтального полета (без учета пикирования) достается иглохвостому стрижу, который развивает скорость более 112 км в час.

Что общего у всех этих быстрых созданий? Ни одно из них не является ни особенно большим, ни особенно маленьким для группы животных, которую они представляют. Фактически, все они имеют промежуточные размеры.

Причина этого немного загадочна. По мере увеличения массы животных изменяются и некоторые биологические особенности. Например, в целом длина ног неуклонно увеличивается. Но очевидно, что длинные ноги не являются ответом, поскольку самые крупные наземные животные, такие как слоны, не являются самыми быстрыми.

Но исследователи сделали ключевой шаг к разгадке этой тайны. Используя масштабируемую виртуальную модель человеческого тела, они смогли изучить движение конечностей и мышц, выяснить, что ограничивает скорость, и получить важные сведения об эволюции человеческой формы на протяжении тысяч лет.

От человека размером с мышь до гиганта

С начала 2000-х годов ученые создают OpenSim — свободно доступную виртуальную модель человеческого тела со всеми его костями, мышцами и сухожилиями.

Эта модель использовалась в различных научных исследованиях для понимания движений человека, изучения науки о физических упражнениях и для моделирования последствий хирургического вмешательства в мягкие ткани.

В 2019 году группа бельгийских исследователей сделала еще один шаг вперед и построила основанную на физике симуляцию с использованием OpenSim. Вместо того чтобы сообщать модели, как двигаться, они попросили ее двигаться вперед с определенной скоростью. Затем модель вычислила, какие комбинации мышц активировать, чтобы она могла ходить или бежать с заданной скоростью.

Но что, если мы пойдем еще дальше и уменьшим модель до размера мыши? Или что, если мы увеличим модель до размера слона? Тогда можно будет увидеть, какие модели могут бегать — и насколько быстро.

Именно это и сделали ученые. Они взяли стандартную человеческую модель (75 кг) и сделали все меньшие и меньшие модели, вплоть до 100 граммов. Они также увеличили модели, до 2000 кг, и заставили их бежать так быстро, как они могли.

Получение нужной массы

Когда они это сделали, произошло несколько интересных вещей.

Во-первых, модель весом 2000 кг вообще не могла двигаться. Как и модель весом 1000 кг. Фактически, самая большая модель, которая могла двигаться, весила 900 кг, что указывает на верхний предел массы для человеческой формы. За пределами этого веса людям нужно менять форму, чтобы двигаться.

Во-вторых, ученые также обнаружили, что самая быстрая модель не была ни самой большой, ни самой маленькой. Вместо этого она весила около 47 кг, что сопоставимо с весом среднего гепарда. Что особенно важно, они смогли понять, почему это так.

Кривая, объясняющая форму максимальной скорости бега с массой, имеет ту же форму, что и кривая, объясняющая максимальную силу давления на грунт с массой. Это имеет смысл: чтобы двигаться быстрее, нужно сильнее отталкиваться от земли.

Так почему же более крупные модели не могли сильнее отталкиваться от земли? Оказалось, что более крупные модели были ограничены своими мышцами.

Способность мышцы производить силу зависит от площади поперечного сечения этой мышцы. И по мере того, как животные увеличиваются в размерах, масса их мышц увеличивается быстрее, чем площадь поперечного сечения.

Это означает, что мышцы более крупных животных относительно слабее. Мышцы начинают «выжимать максимум» сверх максимальной скорости — и поэтому модель должна замедлиться.

На другом конце спектра миниатюрные модели имеют относительно более сильные мышцы, но получают проблему с гравитацией. Они просто слишком легкие. Они пытаются отталкиваться от земли, чтобы создать большую силу, но это просто заставляет их тело отрываться от земли раньше.

Чтобы попытаться произвести больше силы на земле, они приседают, как это делают мыши или кошки. Это позволяет им оставаться на земле дольше и, таким образом, производить больше силы, как вы могли бы сделать, прыгая с места. Но это требует времени. И чем больше времени потребуется, чтобы произвести силу, тем медленнее будет шаг, и вы все равно не будете бежать быстрее.

Таким образом, начинается компромисс между силой нажатия на опору и частотой шагов, который не заканчивается, пока вы не достигнете промежуточного размера, при котором масса будет в самый раз.

Что все это может сказать об эволюции человека?

Известно, что на протяжении всей истории размер современных людей и вымерших видов людей — собирательной группы, известной как «гоминины» — значительно различался: от 30-килограммового Australopithecus afarensis, существовавшего примерно 3,5 миллиона лет назад, до 80-килограммового Homo erectus, жившего почти 2 миллиона лет назад.

Итак, в целом масса тела имела тенденцию к увеличению, и, предположительно, то же самое произошло и с нашей скоростью бега. Homo naledi, который существовал 300 000 лет назад и весил около 37 кг, и Homo floresiensis, который существовал 50 000 лет назад и весил около 27 кг, должны были пожертвовать некоторой скоростью ради своего небольшого размера.

Средняя масса тела современного взрослого человека составляет около 62 кг — немного больше пикового веса в 47 кг, который был обнаружен в ходе моделирования, но все еще близок к этому идеальному размеру.

Интересно, что многие из самых быстрых бегунов на длинные дистанции, такие как кенийский бегун Элиуд Кипчоге, весят около 50 кг.

Таким образом, основываясь на результатах нового исследования, можно сказать, что современные люди примерно настолько быстры, насколько это возможно без значительных изменений в мускулатуре.

Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Communications.