Учёные выяснили, почему животные лучше людей бегают на короткие дистанции

Учёные выяснили, почему животные лучше людей бегают на короткие дистанции Наука

Междисциплинарная группа ученых из университетов Кельна, Кобленца, Тюбингена и Штутгарта изучила характеристики, определяющие максимальную скорость бега животных.

Разработанная ими модель объясняет, почему люди не могут успевать за самыми быстрыми спринтерами в животном мире. Исходя из этих расчетов, гигантская паучиха Шелоб из «Властелина колец» могла бы развить максимальную скорость 60 км/ч.

Многие четвероногие млекопитающие могут развивать значительно более высокую скорость бега, чем двуногие люди. Животные, идеально приспособленные к бегу на короткие дистанции, такие как гепарды или антилопы, характеризуются стройной формой тела, длинными ногами и особенно подвижным позвоночником, позволяющим достигать очень высоких скоростей при беге.

Междисциплинарная группа, в которую входят исследователи из Института зоологии Кельнского университета, разработала модель, которая учитывает эти характеристики и может рассчитать максимальную скорость бега для животных любого размера. Результаты их исследований были опубликованы в статье «Правила естественного бега по формуле: механика мышц во время поздней стойки — ключ к объяснению максимальной скорости бега» в Журнале теоретической биологии.

Одним из ярких событий Олимпийских игр является мужской спринт на 100 метров. Лучшие спринтеры могут развивать скорость почти 45 км/ч. Звучит впечатляюще, но на самом деле это не так по сравнению с быстрым бегом в животном мире. Это примерно соответствует максимальной скорости домашней кошки. Гепарды могут бегать более чем в два раза быстрее (более 100 км/ч), но другие животные, такие как антилопы (90 км/ч) или даже зайцы (чуть менее 60 км/ч), обогнали бы людей-спринтеров.

Группа исследователей под руководством доктора Михаэля Гюнтера (Штутгартский университет) исследовала физические и биологические факторы, от которых зависит максимальная скорость этих животных. В процессе исследователи разработали исчерпывающие ответы на вопросы о важности дизайна тела, такие как: «Почему естественные максимальные скорости достигаются животными среднего размера?», «Какие основные характеристики определяют максимальную скорость бега?» и «Какие характеристики ограничивают скорость?»

В основе их теоретической работы лежит физический баланс движущей силы ног и сопротивления воздуха, которую необходимо преодолеть, а также инерция движущихся мышц. Они показывают своего рода основной путь изменения структурной формы тел животных в зависимости от размера тела (аллометрии) при адаптации к быстрому движению, управляемому ногами. «Этот основной путь описывает, как форма организма должна изменяться в зависимости от размера тела, чтобы достичь высокой скорости бега, и как конкретные формы влияют на максимальную скорость, которая может быть достигнута», — сказал доктор Том Вейманн из Университета. Кельнского института зоологии.

Классический пример — мышь и слон. Мышь размером со слона была бы просто нежизнеспособна, потому что ее кости ломались бы под собственным весом. У слонов гораздо более толстые и тяжелые кости по сравнению с их весом, а также более длинные и выпрямленные ноги. Эти особенности делают возможными огромные размеры животных. Однако тяжелые кости и прямые ноги ограничивают их максимальную скорость, которая намного ниже, чем у гепардов, хотя ноги слона намного длиннее.

Однако максимальная скорость зависит не только от размера, но и от конструкции, такой как количество ног и подвижность позвоночника. Например, многие четвероногие млекопитающие могут достигать гораздо более высоких скоростей бега, чем двуногие конструкции, такие как люди и птицы, потому что они могут скакать, используя мышцы туловища для движения. «Однако, если животные станут слишком тяжелыми, даже более мощные мышцы не помогут, потому что более крупным мышцам требуется больше времени для сокращения на максимальной скорости. Соответственно, предел веса, при превышении которого скорость спринта снова начинает уменьшаться, составляет около 50 кг, что составляет довольно близок к среднему весу гепардов и вилорогов, самых быстрых спринтеров на нашей планете.

Модель может быть применена даже к фантастическим существам. Например, гигантская паучиха Шелоб из «Властелина колец» Дж. Р. Р. Толкина сможет развивать максимальную скорость около 60 км/ч. С точки зрения геометрии человеческого тела модель показывает, что лучшие спринтеры в спорте уже очень близки к их оптимальной скорости. Помимо технических применений, таких как специальные кроссовки или экзоскелеты, обеспечивающие удлинение рычагов или дополнительную эластичность, только более длинные ноги или более эластичные сухожилия позволят достичь более высокой скорости.

ОмскПресс