Джерело: phys.org
Що об’єднує цих швидких істот? Жодна з них не є особливо великою чи надто малою для своєї групи тварин. Насправді всі вони мають середні розміри.
Причина цього довгий час залишалася загадкою. Збільшення маси тварин супроводжується змінами біологічних особливостей, зокрема збільшенням довжини кінцівок. Але очевидно, що довгі ноги не є ключем до швидкості, оскільки найбільші наземні тварини, такі як слони, не є найшвидшими.
Мої колеги і я зробили важливий крок до розгадки цієї загадки. Використовуючи масштабовану віртуальну модель людського тіла, ми змогли дослідити рухи кінцівок і м’язів, з’ясувати, що обмежує швидкість, і отримати важливі уявлення про еволюцію форми людини протягом тисячоліть. Результати дослідження опубліковані в журналі Nature Communications.
Від людини розміром з мишу до велетня
З початку 2000-х років науковці створюють OpenSim — віртуальну модель людського тіла з усіма її кістками, м’язами і сухожиллями. Ця модель використовувалася у різних наукових дослідженнях для вивчення руху людини, дослідження спортивної науки та моделювання впливу хірургічних втручань на м’які тканини.
У 2019 році група бельгійських дослідників пішла ще далі та створила симуляцію на основі фізики, використовуючи OpenSim. Замість того, щоб вказувати моделі, як рухатися, вони задали швидкість руху, і модель самостійно обирала комбінації м’язів для руху на заданій швидкості.
А що, якби ми масштабували цю модель до розмірів миші або збільшили до розміру слона? Тоді ми б змогли побачити, яка з моделей може бігати та наскільки швидко.
Вибір ідеальної маси
Результати виявилися цікавими. Модель масою 2 000 кг не могла рухатися. Так само не могла і модель у 1 000 кг. Найбільша модель, що могла рухатися, важила 900 кг, що вказує на верхню межу форми людини. Понад цей розмір форма тіла потребує змін для пересування.
Найшвидшою ж виявилася модель масою близько 47 кг, що схоже на середню вагу гепарда. Ця маса дозволяє досягати оптимального співвідношення між силою відштовхування від землі та частотою кроків.
Чому ж більші моделі не можуть сильніше відштовхуватися від землі? Виявилося, що це обмеження пов’язане з м’язами. М’язова сила залежить від поперечного перерізу м’язів, а маса м’язів зростає швидше, ніж їх поперечний переріз, що робить м’язи більших тварин відносно слабкішими.
З іншого боку, менші моделі мають відносно сильніші м’язи, але стикаються з проблемою гравітації: їхні тіла занадто легкі, що змушує їх залишати землю раніше при спробах створити значну силу відштовхування.
Що це означає для еволюції людини
Протягом історії розмір тіла сучасних людей і вимерлих видів гомінінів значно змінювався. Наприклад, Australopithecus afarensis важив близько 30 кг, а Homo erectus — близько 80 кг. Середня маса сучасної дорослої людини становить близько 62 кг, що дещо більше за ідеальні 47 кг, але близько до цієї оптимальної точки.
Це означає, що сучасні люди мають майже ідеальний розмір для досягнення максимальної швидкості без значних змін у м’язовій формі.
