Феноменальная скорость гепардов объясняется размером животного

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 так происходит, международная группа исследователей разработала физическую модель того, как мышцы, универсальный двигатель, устанавливают ограничения на максимальную скорость бега наземных животных.

«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 аспектов анатомии животных и их работоспособностью?», — задает вопрос ведущий автор исследования доктор Дэвид Лабонте.

Результаты исследования 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 работы».

«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 105 км в час».

Тестирование пределов

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 животным в конечном итоге придется замедлиться, поскольку они становятся больше».

Чтобы проверить точность своей модели, команда ученых 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.

Жажда скорости

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 из 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 массы тела рептилий, а это означает, что они достигают предела работоспособности при меньшем весе тела и, следовательно, должны оставаться маленькими, чтобы быстро передвигаться».

Модель в сочетании с данными современных видов также предсказала, что наземные животные весом более 40 тонн вообще 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 (Patagotitan mayorum), 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 ученые 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 живут сегодня, включая людей-спортсменов. Физические ограничения влияют на плавающих и летающих животных в той же степени, что и на бегающих, и раскрытие этих ограничений является следующим пунктом нашей повестки дня».

Результаты опубликованы в журнале Nature Communications.