Недавнее международное исследование раскрыло захватывающую картину механизма максимальной скорости бега у наземных животных.

Это исследование показывает, что способность бегать на максимальной скорости тесно связана с двумя важнейшими факторами: скоростью и амплитудой сокращения мышц.

Примечательно, что у наземных существ среднего размера, таких как гепарды, эти два ограничивающих фактора сходятся в оптимальном балансе, что объясняет, почему эти животные, а не более крупные, такие как слоны, или более мелкие, такие как муравьи, являются чемпионами по скорости в животном мире. Это новаторское открытие обещает дать информацию для проектирования будущих роботов с улучшенными возможностями бега.

Под руководством консорциума учреждений, включая Имперский колледж Лондона, международная исследовательская группа разработала сложную физическую модель, чтобы изучить, как мышцы накладывают ограничения на максимальную скорость бега животного. Согласно этой модели, первое ограничение, называемое «пределом кинетической емкости», коррелирует со скоростью сокращения мышц.

В отличие от своих более крупных собратьев, более мелкие животные генерируют непропорционально большую силу мышц во время бега, ограничивая скорость, с которой их мышцы могут сокращаться. Второе ограничение, известное как «предел работоспособности», связано с амплитудой сокращения мышц. Из-за своего большего веса более крупные животные испытывают меньшую мышечную силу относительно массы тела, что ограничивает амплитуду сокращений мышц.

Исследователи наглядно иллюстрируют эту концепцию примерами. Для массивных животных, таких как носороги или слоны, спринт сродни подъему колоссального веса, поскольку их сравнительно слабые мышцы борются с грозным притяжением гравитации. Следовательно, эти существа вынуждены замедляться по мере увеличения своей массы.

Напротив, животные среднего размера, такие как гепарды, обычно весящие около 50 килограммов, занимают физиологическую «золотую середину», где и кинетические, и рабочие пределы гармонично сбалансированы. Это равновесие способствует молниеносным скоростям, при этом гепарды развивают скорость более ста километров в час.

Помимо объяснения механики быстрого передвижения, эта новая модель предлагает понимание межвидовых различий среди групп животных. Рассмотрим, например, расхождения между крупными рептилиями, такими как ящерицы и крокодилы, которые, несмотря на свой меньший размер и более медленный темп, демонстрируют иную стратегию передвижения по сравнению с крупными млекопитающими.

Объяснение кроется в соотношении мышц конечностей по отношению к массе тела: рептилии, имеющие сравнительно небольшие мышцы конечностей, достигают предела своих возможностей при меньших размерах, что требует более изящного телосложения для быстрого передвижения.

Опубликованное в престижном журнале Nature Communications, это исследование представляет собой важнейший шаг вперед в нашем понимании биомеханики животных. Поскольку набор данных исследования в настоящее время охватывает около 400 наземных видов, будущие исследования направлены на расширение этого анализа на животных, пересекающих водную среду и парящих в небе.

Подобные начинания обещают пролить свет на дальнейшие тонкости взаимосвязи между размером и скоростью в различных средах обитания и эволюционных нишах.