伦敦帝国理工学院的一项新研究回答了一个长期存在的问题：为什么猎豹等中型陆地动物往往跑得最快。动物界存在差异。虽然力量、四肢长度、寿命和大脑大小等许多关键特征往往会随着动物体型的增大而增加，但中型动物的最大跑步速度往往是最高的。

为了探究其中的原因，包括帝国理工学院、哈佛大学、昆士兰大学和阳光海岸大学在内的国际研究小组开发了一个物理模型，用于解释肌肉(动物的通用运动)如何限制陆地动物的最高跑步速度。

主要作者、伦敦帝国理工学院生物工程系的大卫·拉邦特博士说：“跑得最快的动物既不是大型大象，也不是小蚂蚁，而是中等大小的动物，比如猎豹。为什么跑步速度与大多数其他动物的常规模式不同?”动物解剖学和性能方面?”

他们的研究结果表明，最大跑步速度并不像之前认为的那样存在一个限制，而是有两个限制：肌肉收缩的速度和距离。动物能够达到的最大速度取决于首先达到的极限，而该极限则由动物的体型决定。

来自阳光海岸大学和昆士兰大学的合著者克里斯托弗·克莱门特教授表示：“我们模型的关键是要了解最大跑步速度受到肌肉收缩速度以及肌肉收缩程度的限制。收缩时缩短。

“猎豹大小的动物在体重 50 公斤左右时处于身体最佳状态，这两个极限正好重合。因此，这些动物是最快的，速度可达每小时 65 英里。”

研究结果发表在《自然通讯》上。

测试极限

第一个极限称为“动能极限”，表明较小动物的肌肉受到收缩速度的限制。因为小动物产生的力相对于它们的体重来说很大，所以对小动物来说跑步有点像下坡骑自行车时试图以低档加速。

第二个限制称为“工作能力限制”，表明较大动物的肌肉受到肌肉收缩程度的限制。由于大型动物较重，因此它们的肌肉产生的相对于体重的力量较小，跑步更像是在高速上骑自行车上山时试图加速。

哈佛大学的合著者彼得·毕夏普博士说：“对于犀牛或大象等大型动物来说，跑步可能感觉像是举起了巨大的重量，因为它们的肌肉相对较弱，而重力需要更大的成本。因此，动物随着它们变大，最终不得不放慢速度。”

为了测试模型的准确性，研究小组将其预测与从 400 多个物种(从大型哺乳动物、鸟类和蜥蜴到小型蜘蛛和昆虫)收集的陆地动物速度和体型数据进行了比较。

该模型准确地预测了体重相差超过 10 个数量级的动物(从 0.1 毫克的微小螨虫到 6 吨重的大象)的最大跑步速度如何随体型变化。

需要速度

这些发现揭示了肌肉如何进化背后的物理原理，并可以为未来设计与最好的动物跑步者的运动能力相匹配的机器人提供信息。

它们还可能为理解动物群体之间的差异提供重要线索。大型爬行动物，如蜥蜴和鳄鱼，通常比大型哺乳动物更小、更慢。

昆士兰大学的合著者泰勒·迪克博士说：“对此的一种可能解释是，按重量计算，四肢肌肉在爬行动物身体中所占的比例较小，这意味着它们在较小的身体条件下达到了工作极限。重量，因此必须保持较小的尺寸才能快速移动。”

该模型结合现代物种的数据，还预测体重超过 40 吨的陆地动物将无法移动。当今最重的陆地哺乳动物是非洲象，重约 6.6 吨，但一些陆地恐龙，如巴塔哥泰坦，重量可能远超过 40 吨。

研究人员表示，这表明我们应该谨慎地根据未灭绝动物的数据来估计已灭绝动物的肌肉解剖结构。相反，数据表明，灭绝的巨人可能进化出了独特的肌肉解剖结构，这值得更多研究。

这项研究提出了关于大型恐龙如何移动的问题，以及需要对特定动物群体(例如爬行动物或蜘蛛)进行更有针对性的数据收集的问题。

虽然这项研究只关注陆地动物，但研究人员接下来将把他们的方法应用于飞行和游泳的动物。

拉邦特博士说：“我们的研究提出了许多关于已灭绝动物和现存动物(包括人类运动员)肌肉生理学的有趣问题。身体限制对游泳和飞行动物的影响与对跑步动物的影响一样大，而解开这些限制是一项艰巨的任务。我们议程上的下一个。”

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