Новая модель объясняет, как различные силы и особенности строения тела ограничивают максимальную скорость бега у людей.
На прошлой неделе самые быстрые спринтеры планеты собрались на Олимпийских играх в Токио, чтобы побороться за золото на дистанции 100 метров. Ламонт Марсель Якобс (Lamont Marcell Jacobs) добежал до финиша за 9,80 секунд, завоевав для Италии ее первое золото в этой дисциплине. Среди женщин Ямайка взяла золото, серебро и бронзу — чистая победа во главе с Элейн Томпсон-Хера (Elaine Thompson-Herah), которая побила установленный 33 года назад олимпийский рекорд, пробежав дистанцию за 10,61 секунды.
Но ни один из них не может достичь высот наследия восьмикратного олимпийского чемпиона Усэйна Болта, который покинул спорт в 2017 году, но до сих пор является обладателем титула самого быстрого человека на планете. Болт пробежал стометровку за 9,58 секунды. Тем не менее, хотя скорость Болта достигала 43,5 километра в час, это все же меньше скорости обычной домашней кошки. (Да, обыкновенной домашней кошки.) В соревновании с гепардами и вилорогими антилопами, которые считаются самыми быстрыми животными на планете, у Болта не было бы ни единого шанса на победу.
Вы можете подумать, что то, насколько быстро может бегать то или иное животное, зависит от размера его мышц: больше силы — больше скорость. Хотя в определенной мере это действительно так, слон все равно никогда не обгонит газель. Итак, что на самом деле определяет максимальную скорость?
Недавно группа ученых во главе с биомехаником Майклом Гюнтером (Michael Günther) из Штутгартского университета решила выяснить, какие законы природы определяют максимальную скорость бега в животном мире. В своем новом исследовании, результаты которого были опубликованы на прошлой неделе в «журнале теоретической биологии» (Journal of Theoretical Biology), они представили сложную модель, учитывающую размеры тела, длину ног, плотность мышц и многое другое, чтобы объяснить, какие особенности строения тела являются наиболее важными для обеспечения наибольшей скорости.
Это новое исследование дает представление о биологической эволюции четвероногих животных и их манеры бегать, и оно может быть использовано экологами для понимания того, как ограничения скорости движения животных влияют на популяцию, выбор среды обитания и динамику развития популяций различных видов. Это исследование также может быть полезным для инженеров-робототехников и биомедицинских инженеров, которые изучают оптимальные строения тел животных, чтобы совершенствовать конструкции двуногих шагающих роботов и различных протезов.
«Речь идет о понимании причин эволюции, а также о том, почему и как она меняет строение тела, — сказал Гюнтер о цели исследования. — Вы также можете расширить знания о том, как на строение тела влияют различные эволюционные потребности, в том числе необходимость быстро бегать».
Предыдущее исследование в этой области, которое возглавляла Мириам Херт (Myriam Hirt) из Немецкого центра интегративных исследований биоразнообразия (German Center for Integrative Biodiversity Research), показало, что ключ к скорости связан с метаболизмом животных — то есть процессом превращения питательных веществ в «топливо», конечное количество которого хранится в мышечных волокнах для использования при беге. Команда Херт обнаружила, что у более крупных животных это топливо заканчивается быстрее, чем у более мелких, потому что им требуется больше времени, чтобы разогнать свое более тяжелое тело. Это называется мышечным утомлением. Это объясняет, почему — чисто теоретически — человек мог бы обогнать тираннозавра.
Но Гюнтер и его коллеги отнеслись к этому выводу скептически. «Я подумал, что мы могли бы дать другое объяснение», — сказал он, — объяснение, в котором для характеристики ограничений скорости использовались бы только принципы классической физики. Поэтому ученые создали биомеханическую модель, состоящую из более чем 40 различных параметров, относящихся к строению тела, геометрии бега и балансу сил, воздействующих на тело.
«Основная идея состоит в том, что максимальную скорость ограничивают два фактора», — говорит Роберт Рокенфеллер (Robert Rockenfeller), математик из Университета Кобленц-Ландау, ставший соавтором исследования. Во-первых, это сопротивление воздуха, то естьсила, действующая на каждую ногу, когда она пытается двигать тело вперед. Поскольку воздействие силы сопротивления не увеличивается с увеличением массы, именно она является доминирующим фактором, ограничивающим скорость у более мелких животных. «С учетом силы сопротивления воздуха, если бы вы были бесконечно тяжелыми, вы бы бежали бесконечно быстро», — пояснил Рокенфеллер.
Второй действующий фактор, который как раз увеличивается вместе с увеличением массы тела, — это инерция, то есть сопротивление тела изменению его состояния, в данном случае при ускорении из состояния покоя. Рокенфеллер говорит, что 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: чем больше масса, которую нужно продвигать вперед, чем труднее преодолевать инерцию. Таким образом, животные с меньшей массой тела имеют преимущество.
Согласно результатам исследования, оптимальное значение массы тела для преодоления сопротивления воздуха и инерции составляет около 50 килограммов. Неслучайно, именно таким является средний вес гепардов и вилорогих антилоп.
Команда Гюнтера также смогла посчитать теоретические максимумы скорости для различных строений тела массой около 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 километров в час. Неудивительно, но средний показатель для человека весом в 100 килограммов стоит в этом ряду последним: его скорость не превысит 38 километров в час.
Но размеры тела — не единственная особенность, которая влияет на максимальную скорость. Модель показала, что длина ног тоже имеет значение. Животные с более длинными ногами могут толкать свое тело дальше вперед, прежде чем их ступня должна будет оторваться от земли, что продлевает время, необходимое им для ускорения между средней фазой опоры на ногу и отрывом от земли.
Что касается того, почему четвероногие животные могут бегать быстрее людей, Гюнтер объяснил, что это не потому, что у нас всего две ноги, а потому, что наше тело расположено вертикально и испытывает на себе всю силу тяжести. В процессе эволюции у двуногих существ позвоночник стал гораздо менее подвижным, потому что для них равновесие и устойчивость были приоритетнее скорости. Между тем животные, чьи тела размещены параллельно земле, в процессе эволюции получили более гибкие позвоночники, которые оптимальны для длительного соприкосновения ступни с землей.
А что насчет мышечного утомления? «Оно не играет никакой роли», — утверждает Гюнтер. В рамках своего исследования его команда пришла к выводу, что любое животное может разогнаться минимум до 90% своей максимальной скорости, прежде чем у него закончится «топливо».
Карл Клойед (Carl Cloyed), эколог из Морской лаборатории острова Дофин (Dauphin Island Sea Lab) в Алабаме, изучающий локомоцию животных, считает, что с эволюционной точки зрения биомеханическое объяснение имеет больше смысла, чем гипотеза о мышцах, у которых заканчивается «топливо». «Я бы предположил, что в процессе эволюции животные должны были к этому адаптироваться», — сказал он. Однако он все же признал, что для подтверждения новой модели необходимо провести больше экспериментальных исследований.
Гюнтер и Рокенфеллер согласны с тем, что для проверки их выводов необходимы дополнительные эксперименты, и они считают, что они представили всеобъемлющую модель для того, чтобы другие ученые в дальнейшем продолжили ее тестировать. Однако все ученые признают, что это будет сопряжено с множеством трудностей. По словам Клойеда, ученым потребуется ловить животных и наблюдать за ними в лабораторных условиях — или же использовать высококачественные видеозаписи, чтобы анализировать биомеханику их движений. Самым точным методом изучения движений бегущего животного может оказаться вживление механических сенсоров в их мышечную ткань и дальнейшее наблюдение за ними в их естественной среде обитания. Но, по словам Гюнтера, это влечет за собой массу очевидных логистических и этических проблем.
Клойеду тоже хочется увидеть, как этот анализ будет расширен, особенно с охватом других режимов локомоции, таких как полет и плавание. «Если эта гипотеза окажется верной, она может быть применима и к другим объектам окружающей среды».
Итак, сможет ли кто-нибудь побить рекорд Усэйна Болта? Возможно, но людям вряд ли удастся бегать еще быстрее. Биомеханика бега показывает, что мы уже приближаемся к пределу возможностей человеческого тела. И, когда кто-то другой станет самым быстрым человеком на планете, ему придется согласиться с тем, что этот титул он будет носить только среди людей. В животном мире нам рассчитывать не на что.