Источник: phys.org
Что объединяет этих быстрых существ? Ни одно из них не является особенно большим или слишком маленьким для своей группы животных. На самом деле все они имеют средние размеры.
Причина этого долгое время оставалась загадкой. Увеличение массы животных сопровождается изменениями биологических особенностей, в частности увеличением длины конечностей. Но очевидно, что длинные ноги не являются ключом к скорости, поскольку самые большие наземные животные, такие как слоны, не являются самыми быстрыми.
Мои коллеги и я сделали важный шаг к разгадке этой загадки. Используя масштабируемую виртуальную модель человеческого тела, мы смогли исследовать движения конечностей и мышц, выяснить, что ограничивает скорость, и получить важные представления об эволюции формы человека на протяжении тысячелетий. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Communications.
От человека размером с мышь до великана
С начала 2000-х годов ученые создают OpenSim - виртуальную модель человеческого тела со всеми его костями, мышцами и сухожилиями. Эта модель использовалась в различных научных исследованиях для изучения движения человека, исследования спортивной науки и моделирования влияния хирургических вмешательств на мягкие ткани.
В 2019 году группа бельгийских исследователей пошла еще дальше и создала симуляцию на основе физики, используя OpenSim. Вместо того, чтобы указывать модели, как двигаться, они задали скорость движения, и модель самостоятельно выбирала комбинации мышц для движения на заданной скорости.
А что, если бы мы масштабировали эту модель до размеров мыши или увеличили до размера слона? Тогда мы бы смогли увидеть, какая из моделей может бегать и насколько быстро.
Выбор идеальной массы
Результаты оказались интересными. Модель массой 2 000 кг не могла двигаться. Так же не могла и модель в 1 000 кг. Самая большая модель, которая могла двигаться, весила 900 кг, что указывает на верхний предел формы человека. Свыше этого размера форма тела требует изменений для передвижения.
Самой же быстрой оказалась модель массой около 47 кг, что похоже на средний вес гепарда. Эта масса позволяет достигать оптимального соотношения между силой отталкивания от земли и частотой шагов.
Почему же более крупные модели не могут сильнее отталкиваться от земли? Оказалось, что это ограничение связано с мышцами. Мышечная сила зависит от поперечного сечения мышц, а масса мышц растет быстрее, чем их поперечное сечение, что делает мышцы более крупных животных относительно более слабыми.
С другой стороны, меньшие модели имеют относительно более сильные мышцы, но сталкиваются с проблемой гравитации: их тела слишком легкие, что заставляет их покидать землю раньше при попытках создать значительную силу отталкивания.
Что это означает для эволюции человека
На протяжении истории размер тела современных людей и вымерших видов гомининов значительно менялся. Например, Australopithecus afarensis весил около 30 кг, а Homo erectus - около 80 кг. Средняя масса современного взрослого человека составляет около 62 кг, что несколько больше идеальных 47 кг, но близко к этой оптимальной точке.
Это означает, что современные люди имеют почти идеальный размер для достижения максимальной скорости без значительных изменений в мышечной форме.
