为什么猎豹跑得最快，但大象却不是最慢
为什么猎豹跑得最快，但大象却不是最慢
照片由Mr.Tazim在Pixabay上发布
伦敦 - 猎豹是最快的陆地动物，速度惊人，可达70英里/小时。但你是否想过，为什么大象尽管体型庞大，却不是跑得最慢的？一项新的研究深入探讨了控制动物移动速度的迷人物理学，揭示了身体尺寸、肌肉能力和自然力量之间复杂的相互作用。
这项研究由伦敦帝国学院的David Labonte领导，并发表在《自然通讯》上，分析了体重11个数量级的数百种动物的速度数据，从微小的螨虫到巨大的大象。研究团队发现，动物的最大奔跑速度遵循一个有趣的模式——随着身体尺寸的增加，达到一定程度，然后对于最大的动物来说，最大奔跑速度会下降。
这种非线性关系违反了大多数生物特征中常见的典型幂律缩放，其中属性随大小单调变化。那么，这种不寻常趋势的背后是什么？科学家认为，这是由两个关键限制之间的拉锯战引起的：肌肉的做功和动能能力。
通过维度分析和建模，他们表明，在小动物中，最高速度受到最大速度的限制。可以在一次收缩中产生。更大的身体尺寸允许更高的速度，因为更长的腿和更大的肌肉体积可以增强动能的产生。
然而，这种优势不会永远持续下去。超过50公斤左右的临界体重后，肌肉的工作能力反而成为限制因素。尽管大型动物可以产生大量动能，但它们的肌肉无法产生足够的总功来保持速度的增加。更糟的是，研究人员认为重力也开始对大型动物产生影响，吸走了越来越多的肌肉工作。
“猎豹大小的动物在体重50公斤左右时处于最佳身体状态，这两个极限值是重叠的。因此，这些动物的速度最快，可达每小时65英里。”
方法论
为了得出这些结论，该团队编制了一个广泛的数据库，从文献中可以看出，从老鼠到大象，从螨虫到蜥蜴。然后，他们使用维度分析来推导体重和关键肌肉特性（如工作密度、肌束长度和最大收缩速度）之间的数学关系。
研究者定义了两个新的无量纲数来捕捉相互竞争的物理限制。“希尔数”代表动能极限，而“博雷利数”则体现功极限。计算这两个数字的比率得出“生理相似性指数”，该指数确定哪个因素限制给定尺寸的速度。
将它们放在一个统一的方程中，他们能够根据经验数据预测最大速度和体重之间的曲线关系。令人印象深刻的是，这种基于物理的方法只需要一个自由参数即可适合数据，突显了基本原理的解释力。
结果：极品飞车满足现实世界的限制
虽然模型整体表现良好，但它确实低估了绝对速度值。作者将此归因于这样一个事实：动物并不是单步达到最高速度，而是通过多步加速。通过结合与尺寸无关的恢复因子来解释每个步幅之间的速度损失，理论预测与测量速度更加一致。
该研究还指出了与整体趋势的一些有趣的偏差，这些偏差指向了重要的现实世界因素。对于小动物，模型预测速度应该随着体型的增加而增加，其速度比实际观察到的速度更快。研究者提出，这种差异可以用大型动物“装备”肌肉以获得更大杠杆作用的能力来解释，这一发现得到了腿部解剖学经验数据的支持。
“对于像犀牛这样的大型动物，跑步可能感觉像是举起了巨大的重量，因为他们的肌肉相对较弱，重力需要更大的成本。由于这两种原因，动物最终不得不在变大时放慢速度，”该研究的合著者、哈佛大学的彼得·毕肖普博士说。
研究者发现，动物的最大奔跑速度遵循一个有趣的模式——它随着体型的增加而增加，达到一定程度，然后对于最大的动物来说会下降。（照片由Unsplash的Beks拍摄）
研究局限性
与其他研究一样，也存在需要考虑的限制。目前的工作将跨年龄组和物种的数据集中在一起，但没有深入探讨个体发生效应或进化专业化如何影响短跑表现的细微差别。该模型也没有直接考虑身体计划或腿部数量的差异。
此外，用于修正绝对速度低估的恢复因子是从小样本中得出的，需要更有系统的数据来验证它真正与尺寸无关的假设。最后，一些关键的肌肉特性必须根据有限的文献数据进行估计，尽管研究者在近似值方面是明智的。
讨论与要点：制定新方向
抛开局限性不谈，这项工作在找出不同尺度下限制最大速度的因素方面取得了重大进展。它解释了为什么最快的跑步者是中等体型而不是超小或巨大的历史之谜。通过集中肌肉能力，它挑战了长期以来普遍存在的假设：是首要因素。
作者将新的生理指数与流体动力学的雷诺数进行了发人深省的相似之处，表明它可以为确定物种之间的动态相似性提供强大的框架。当我们理解事物时，它可以帮助我们将苹果与橘子（或老鼠与大象）进行比较。
基于这些见解，未来的研究可以探讨动物如何通过演化适应和专业化来突破所提出的肌肉速度定律的界限。将这一物理基础与系统发育和生态镜头相结合，可能会更全面地了解自然世界对速度的需求背后的权衡和创新。
所以，下次当你惊叹猎豹的惊人速度或咯咯地笑大象笨重的步态时，要知道这背后隐藏着一个优雅的物理现实，由于科学的帮助，这个现实现在不再那么神秘了。为未来令人兴奋的发现奠定了基础，这些发现可能会重塑我们对动物运动能力及其局限性的理解。