W królestwie zwierząt panuje rozbieżność. Chociaż wiele kluczowych cech, takich jak siła, długość kończyn, długość życia i rozmiar mózgu, zwykle rośnie wraz z rozmiarem zwierzęcia, maksymalne prędkości biegu są zwykle największe u zwierząt średniej wielkości.
Aby zbadać dlaczego, międzynarodowy zespół naukowców, w tym Imperial, Harvard University, University of Queensland i University of the Sunshine Coast, opracował fizyczny model tego, w jaki sposób mięśnie, uniwersalny silnik zwierzęcy, wyznaczają ograniczenia maksymalnej prędkości biegu zwierząt lądowych.
Główny autor, dr David Labonte z Wydziału Bioinżynierii Imperial College w Londynie, powiedział: „Najszybsze zwierzęta nie są ani dużymi słoniami, ani małymi mrówkami, ale średniej wielkości, jak gepardy. Dlaczego prędkość biegu odbiega od regularnych wzorców rządzących większością innych aspektów życia? anatomia i wydajność zwierząt?”
Ich odkrycia sugerują, że nie ma jednego ograniczenia maksymalnej prędkości biegu, jak wcześniej sądzono, ale dwa: prędkość i stopień kurczenia się mięśni. Maksymalna prędkość, jaką może osiągnąć zwierzę, zależy od tego, który limit zostanie osiągnięty jako pierwszy – a limit ten jest podyktowany wielkością zwierzęcia.
Współautor, profesor Christofer Clemente z University of the Sunshine Coast i University of Queensland, powiedział: „Kluczem do naszego modelu jest zrozumienie, że maksymalna prędkość biegu jest ograniczona zarówno szybkością kurczenia się mięśni, jak i tym, jak bardzo mogą skracać się podczas skurczu.
„Zwierzęta wielkości geparda występują w optymalnym fizycznym miejscu, ważąc około 50 kg, gdzie te dwie granice zbiegają się. W związku z tym zwierzęta te są najszybsze i osiągają prędkość do 100 km na godzinę”.
Wyniki opublikowano w czasopiśmie Nature Communications.
Testowanie limitów
Pierwsza granica, zwana „limitem pojemności energii kinetycznej”, sugeruje, że mięśnie mniejszych zwierząt są ograniczone szybkością skurczu. Ponieważ małe zwierzęta wytwarzają duże siły w stosunku do ich masy, bieganie dla małego zwierzęcia przypomina trochę próbę przyspieszenia na niskim biegu podczas jazdy w dół.
Druga granica, zwana „granicą wydajności pracy”, sugeruje, że mięśnie większych zwierząt są ograniczone przez to, jak bardzo mogą się skurczyć. Ponieważ duże zwierzęta są cięższe, ich mięśnie wytwarzają mniejszą siłę w stosunku do swojej masy, a bieganie bardziej przypomina próbę przyspieszenia podczas jazdy rowerem pod górę na wysokim biegu.
Współautor, dr Peter Bishop z Uniwersytetu Harvarda, powiedział: „W przypadku dużych zwierząt, takich jak nosorożce czy słonie, bieganie może przypominać podnoszenie ogromnego ciężaru, ponieważ ich mięśnie są stosunkowo słabsze, a grawitacja wymaga większych kosztów. W rezultacie oba zwierzęta ostatecznie muszą zwalniać, gdy stają się większe”.
Aby przetestować dokładność swojego modelu, zespół porównał swoje przewidywania z danymi dotyczącymi prędkości i wielkości zwierząt lądowych zebranymi od ponad 400 gatunków, od dużych ssaków, ptaków i jaszczurek po maleńkie pająki i owady.
Model dokładnie przewidział, jak maksymalna prędkość biegu zmienia się w zależności od rozmiaru ciała zwierząt, których masa ciała różni się o ponad 10 rzędów wielkości – od maleńkich roztoczy o masie 0,1 miligrama po sześciotonowe słonie.
Ich odkrycia rzucają światło na fizyczne zasady ewolucji mięśni i mogą pomóc w przyszłych projektach robotów, które dorównują atletyce najlepszych zwierzęcych biegaczy.
Oprócz wyjaśnienia, jak szybko zwierzęta potrafią biegać, nowy model może również dostarczyć kluczowych wskazówek pozwalających zrozumieć różnice między grupami zwierząt. Duże gady, takie jak jaszczurki i krokodyle, są na ogół mniejsze i wolniejsze niż duże ssaki.
Współautor dr Taylor Dick z Uniwersytetu w Queensland powiedział: „Jednym z możliwych wyjaśnień może być to, że mięśnie kończyn stanowią mniejszy procent ciała gadów pod względem masy, co oznacza, że osiągają one limit pracy przy mniejszej masie ciała i dlatego muszą pozostać małe, aby móc szybko się poruszać.”
Model w połączeniu z danymi dotyczącymi współczesnych gatunków przewidywał również, że zwierzęta lądowe ważące ponad 40 ton nie będą mogły się poruszać. Najcięższym żyjącym obecnie ssakiem lądowym jest słoń afrykański, ważący około 6,6 tony, choć niektóre dinozaury lądowe, takie jak Patagotytan, prawdopodobnie ważyły znacznie ponad 40 ton.
Naukowcy twierdzą, że oznacza to, że powinniśmy zachować ostrożność przy szacowaniu anatomii mięśni wymarłych zwierząt na podstawie danych dotyczących zwierząt niewymarłych. Zamiast tego sugerują, że dane wskazują, że wymarli olbrzymy mogli wyewoluować unikalną anatomię mięśni, co wymaga dalszych badań.
Badanie rodzi pytania dotyczące tego, w jaki sposób masywne dinozaury potrafiły się poruszać, a także pytania wymagające bardziej ukierunkowanego gromadzenia danych na temat określonych grup zwierząt, takich jak gady czy pająki.
Chociaż badanie dotyczyło wyłącznie zwierząt lądowych, naukowcy zastosują następnie swoje metody do zwierząt, które latają i pływają.
Dr Labonte powiedział: „Nasze badanie rodzi wiele interesujących pytań dotyczących fizjologii mięśni zarówno zwierząt wymarłych, jak i tych, które żyją dzisiaj, w tym sportowców. Ograniczenia fizyczne wpływają na zwierzęta pływające i latające w takim samym stopniu, jak na biegające zwierzęta – a odblokowanie tych ograniczeń jest następny w naszym programie.”
Badania te zostały sfinansowane przez Australijską Radę ds. Badań Naukowych, Program Human Frontier Science Program i Europejską Radę ds. Badań Naukowych (ERC) w ramach unijnego programu badań i innowacji „Horyzont 2020”.