Объяснена рекордная скорость гепардов: она достигается в «золотой середине» размера
Новое исследование Имперского колледжа Лондона дало ответ на давний вопрос: почему самые быстрые наземные животные, такие как гепарды, имеют средний размер.
В животном мире существует несоответствие. В то время как многие ключевые характеристики, такие как сила, длина конечностей, продолжительность жизни и размер мозга, обычно увеличиваются с размером животного, максимальная скорость бега достигает пика у животных среднего размера.
Международная команда исследователей из Имперского колледжа Лондона, Гарвардского университета, Университета Квинсленда и Университета Саншайн-Коста разработала физическую модель, показывающую, как мышцы — универсальный «двигатель» животных — ограничивают максимальную скорость бега.
Ведущий автор доктор Дэвид Лабонт отметил: «Самые быстрые животные — это ни большие слоны, ни крошечные муравьи, а животные среднего размера, такие как гепарды. Почему скорость бега не подчиняется обычным закономерностям, управляющим большинством других аспектов анатомии и возможностей животных?»
Результаты, опубликованные в Nature Communications, показывают, что существует не одно, как считалось ранее, а два ограничения максимальной скорости: как быстро и насколько сильно могут сокращаться мышцы. Максимальная скорость определяется тем пределом, который достигается первым, и этот предел диктуется размером животного.
Соавтор профессор Кристофер Клементе пояснил: «Ключ к нашей модели — понимание, что максимальная скорость ограничена как скоростью сокращения мышц, так и величиной их укорочения во время сокращения. Животные размером с гепарда существуют в физической «золотой середине» — около 50 кг, где эти два предела совпадают. Следовательно, они самые быстрые, достигая скорости до 65 миль в час».
Два предела скорости
- Предел кинетической энергии: Мышцы мелких животных ограничены скоростью сокращения. Для маленького животного бег похож на попытку разогнаться на велосипеде под гору на низкой передаче.
- Предел рабочей способности: Мышцы крупных животных ограничены амплитудой сокращения. Для крупного животного бег подобен попытке разогнаться в гору на высокой передаче.
Соавтор доктор Питер Бишоп добавил: «Для крупных животных, таких как носороги или слоны, бег может ощущаться как поднятие огромного веса... В результате животным приходится замедляться по мере увеличения размера».
Модель точно предсказала изменение максимальной скорости с размером тела для более чем 400 видов — от крошечных 0,1 мг клещей до шеститонных слонов (разница в массе более чем в 10 порядков).
Значение открытия
- Эволюция и робототехника: Результаты проливают свет на принципы эволюции мышц и могут помочь в создании роботов, сопоставимых по атлетизму с лучшими бегунами среди животных.
- Сравнение групп животных: Модель предлагает объяснение, почему крупные рептилии (ящерицы, крокодилы) обычно меньше и медленнее крупных млекопитающих: их мышцы конечностей составляют меньший процент от массы тела.
- Изучение вымерших гигантов: Модель предсказывает, что наземные животные тяжелее 40 тонн были бы неспособны двигаться. Это указывает, что вымершие гиганты, такие как динозавры (например, Patagotitan, весивший более 40 тонн), вероятно, обладали уникальной мышечной анатомией, требующей отдельного изучения.
Исследование ставит новые вопросы о движении массивных динозавров и требует целенаправленного сбора данных по конкретным группам животных. В дальнейшем команда планирует применить свой метод к летающим и плавающим животным.