猎豹的中等体型解释了它们无与伦比的速度

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，如猎豹 ( Acinonyx jubatus )。为什么跑步速度会打破动物解剖学和表现的大多数其他方面的常规模式?新的研究表明，最大跑步速度并不像以前认为的那样有一个限制，而是有两个限制：肌肉收缩的速度和距离;动物所能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。

阳光海岸大学研究员克里斯托弗·克莱门特教授说：“我们模型的关键是要明白，最大跑步速度既受到肌肉收缩速度的限制，也受到肌肉收缩时肌肉缩短程度的限制。”昆士兰大学。

“猎豹大小的动物的身体最佳体重约为 50 公斤，这两个极限值是重合的。因此，这些动物是最快的，速度可达每小时 105 公里(65 英里/小时)。”

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。

“对于犀牛或大象等大型动物来说，跑步可能感觉就像举起了巨大的重量，因为它们的肌肉相对较弱，重力需要更大的成本，”哈佛大学研究员彼得·毕肖普博士说。

“由于这两种原因，动物最终不得不在变大时放慢速度。”

为了测试模型的准确性，作者将其预测与从 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。

他们的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。

除了解释动物跑得有多快之外，新模型还可能为理解动物群体之间的差异提供关键线索。

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。

“对此的一个可能的解释可能是，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体重下达到工作极限，因此必须保持较小的尺寸才能快速移动，”博士说。泰勒·迪克(Taylor Dick)是昆士兰大学的研究员。

结合现代物种的数据，该团队的模型还预测，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。

研究人员说：“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，数据表明已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。”

伦敦帝国理工学院研究员戴维·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，而解除这些限制是我们的下一个议程。”

有关研究结果的论文发表在《自然通讯》杂志上。