Ученые рассказали, почему самый быстрый человек не обгонит домашнего кота

Группа ученых во главе с биомехаником Майклом Гюнтером из Штутгартского университета решила определить законы природы, регулирующие максимальную скорость бега в животном мире. В новом исследовании они представляют сложную модель, учитывающую размер, длину ног, плотность мышц и многое другое, чтобы выяснить, какие элементы конструкции тела являются наиболее важными для оптимизации скорости, сообщает wired.com

Ямайский легкоатлет Усэйн Болт, восьмикратный олимпийский чемпион и 11-кратный чемпион мира на данный момент самый быстрый из ныне живущих людей. Его рекорд в беге на 100 метров — 9,58 с. Но его смогла бы обогнать даже домашняя кошка, а в соревновании с гепардами или вилорогими антилопами у Болта не будет никакого шанса, говорят ученые.

Новое исследование дает представление о биологической эволюции четвероногих животных, и оно может быть использовано экологами для понимания того, как ограничения скорости передвижения животных влияют на популяцию и выбор среды обитания у различных видов.

"Речь идет о понимании причин эволюции, а также о том, почему и как она формирует тело", — говорит Гюнтер о цели исследования. "Также можно понять как конструкция тела влияет на скорость".

Предыдущее исследование в этой области, возглавляемое Мириам Хирт из Немецкого центра интегративных исследований биоразнообразия, показало, что ключ к скорости связан с метаболизмом животных, процессом, с помощью которого организм превращает питательные вещества в топливо, конечное количество которого хранится в мышечных волокнах для использования при беге. Команда Хирт обнаружила, что у более крупных животных это топливо заканчивается быстрее, чем у более мелких, потому что им требуется больше времени, чтобы разогнать более тяжелое тело. Это называется мышечной усталостью. Это объясняет, почему теоретически человек мог обогнать тираннозавра.

Но Гюнтер и его коллеги были настроены скептически. "Я подумал, что мы могли бы дать другое объяснение", — говорит он, — "которое бы использовало только принципы классической физики для объяснения ограничений скорости".

Ученые создали биомеханическую модель, состоящую из более чем 40 различных параметров, касающихся конструкции тела, геометрии бега и баланса противоборствующих сил, действующих на тело.

"Основная идея состоит в том, что максимальную скорость ограничивают две вещи", — говорит Роберт Рокенфеллер, математик из Университета Кобленц-Ландау, соавтор исследования. "Во-первых — это сопротивление воздуха, сила, действующая на каждую ногу, когда она пытается двигать тело вперед. Поскольку эффект сопротивления не увеличивается с увеличением массы, это доминирующий фактор, ограничивающий скорость у более мелких животных.

Во-вторых – это инерция. Рокенфеллер говорит, что во время бега у животного есть ограничение по времени для ускорения собственной массы: это промежуток времени между тем, когда ступня стоит на земле, до момента когда ступня отрывается от земли. Это особенно ограничивает более крупных животных — с большей массой, которую нужно продвигать вперед, труднее преодолеть инерцию. Таким образом, меньшие тела имеют преимущество.

Согласно результатам исследования, оптимальное значение для преодоления сопротивления воздуха и инерции составляет около 50 килограммов. Видимо не случайно, что это средний вес гепардов и вилорогих антилоп.

Команда Гюнтера также смогла предсказать теоретические максимумы скорости для различных конструкций тела при весе 100 кг. Домашняя кошка такого размера могла бы бегать со скоростью 74 километра в час, гигантский паук, если бы его ноги каким-то образом могли выдержать его вес, разогнался бы до 56 км/ч. Человек при весе в 100 килограмм может развивать скорость только до 38 километров в час.

Но размер тела — не единственная особенность, которая играет важную роль при максимальном увеличении скорости. В модели также имеет значение длина ноги. Животные с более длинными ногами могут толкать свое тело дальше вперед, прежде чем их ступня должна оторваться от земли, что продлевает время, необходимое им для ускорения между спокойным положением и отрывом от земли.

Что касается того, почему четвероногие животные могут бегать быстрее людей, Гюнтер говорит, что это не потому, что у нас всего две ноги, а потому, что наше тело расположено вертикально и ощущает всю силу тяжести. Двуногие существа эволюционировали с гораздо более неподвижными структурами позвоночника, чтобы поставить равновесие и устойчивость выше скорости. Однако животные, чьи тела размещены параллельно земле, эволюционировали с более гибкими позвоночниками, которые оптимизированы для длительного соприкосновения ступни с землей.

"Мышечная усталость не играет никакой роли", — говорит Гюнтер. Ученые пришли к выводу, что любое животное может разогнаться как минимум до 90% своей максимальной скорости до того, как закончится топливо.

Карл Клойед, эколог из Морской лаборатории острова Дофин в Алабаме, изучающий передвижение животных, считает, что с эволюционной точки зрения биомеханическое объяснение имеет больше смысла, чем теория о мышцах, у которых заканчивается топливо. Но он признает, что для подтверждения новой модели потребуются дополнительные экспериментальные исследования.

Гюнтер и Рокенфеллер соглашаются, что необходимы дополнительные эксперименты для проверки их выводов. По словам Гюнтера, наиболее точным способом изучения поведения животных при беге было бы имплантировать механические датчики в их мышцы и отслеживать их движения в естественной среде.