اندازه متوسط ​​یوزپلنگ ها سرعت بی نظیر آنها را توضیح می دهد

سریع‌ترین حیوانات نه فیل‌های بزرگ هستند و نه مورچه‌های کوچک، بلکه اندازه‌های متوسطی دارند، مانند یوزپلنگ (Acinonyx jubatus). چرا سرعت دویدن با الگوهای منظمی که بر بیشتر جنبه های دیگر آناتومی و عملکرد حیوانات حاکم است، می شکند؟ تحقیقات جدید نشان می‌دهد که همانطور که قبلاً تصور می‌شد یک محدودیت برای حداکثر سرعت دویدن وجود ندارد، بلکه دو محدودیت وجود دارد: سرعت انقباض ماهیچه‌ها با چه فاصله‌ای. حداکثر سرعتی که یک حیوان می‌تواند به آن برسد، با هر حدی که ابتدا به آن رسیده است تعیین می‌شود – و این حد توسط اندازه حیوان تعیین می‌شود.

پروفسور کریستوفر کلمنته، محققی در دانشگاه ساحل سان شاین و می‌گوید: «کلید مدل ما درک این موضوع است که حداکثر سرعت دویدن هم با سرعت انقباض ماهیچه‌ها و هم به میزان کوتاه شدن آنها در طول یک انقباض محدود می‌شود.» دانشگاه کوئینزلند

حیواناتی به اندازه یک یوزپلنگ در یک نقطه شیرین فیزیکی با وزن حدود 50 کیلوگرم وجود دارند، جایی که این دو حد بر هم منطبق است. این حیوانات در نتیجه سریعترین هستند و به سرعت 105 کیلومتر در ساعت (65 مایل در ساعت) می رسند.

محدودیت اول که “محدودیت ظرفیت انرژی جنبشی” نامیده می شود، نشان می دهد که ماهیچه های حیوانات کوچکتر با سرعتی که می توانند منقبض شوند مهار می شوند.

از آنجایی که حیوانات کوچک نسبت به وزن خود نیروهای زیادی تولید می کنند، دویدن برای یک حیوان کوچک کمی شبیه تلاش برای شتاب گرفتن در یک دنده کم هنگام دوچرخه سواری در سراشیبی است.

محدودیت دوم که «محدودیت ظرفیت کاری» نامیده می‌شود، نشان می‌دهد که ماهیچه‌های حیوانات بزرگ‌تر به میزانی که ماهیچه‌های آنها می‌توانند منقبض شوند، مهار می‌شوند.

از آنجایی که جانوران بزرگ سنگین‌تر هستند، ماهیچه‌های آن‌ها نیروی کمتری نسبت به وزنشان تولید می‌کنند، و دویدن بیشتر شبیه تلاش برای شتاب گرفتن در هنگام دوچرخه‌سواری از تپه‌ای با دنده‌های بلند است.

دکتر پیتر بیشاپ، محقق دانشگاه هاروارد می گوید: «برای حیوانات بزرگ مانند کرگدن یا فیل، دویدن ممکن است مانند بلند کردن یک وزنه عظیم باشد، زیرا ماهیچه های آنها نسبتا ضعیف تر است و گرانش هزینه بیشتری را می طلبد.

“در نتیجه هر دو، حیوانات در نهایت باید با بزرگتر شدن سرعت خود را کاهش دهند.”

نویسندگان برای آزمایش دقت مدل خود، پیش‌بینی‌های آن را با داده‌های مربوط به سرعت و اندازه حیوانات خشکی که از بیش از 400 گونه، از پستانداران بزرگ، پرندگان و مارمولک‌ها گرفته تا عنکبوت‌ها و حشرات جمع‌آوری شده بود، مقایسه کردند.

این مدل دقیقاً پیش‌بینی کرد که حداکثر سرعت دویدن با اندازه بدن حیواناتی که بیش از 10 مرتبه از نظر جرم بدن متفاوت است – از کنه‌های کوچک 0.1 میلی‌گرمی تا فیل‌های شش تنی متفاوت است.

یافته‌های آن‌ها اصول فیزیکی پشت چگونگی تکامل ماهیچه‌ها را روشن می‌کند و می‌تواند طراحی‌های آینده روبات‌هایی را که با ورزش‌کاری بهترین دوندگان حیوانات مطابقت دارد، نشان دهد.

مدل جدید علاوه بر توضیح سرعت دویدن حیوانات، ممکن است سرنخ های حیاتی برای درک تفاوت بین گروه های حیوانات نیز ارائه دهد.

خزندگان بزرگ مانند مارمولک ها و تمساح ها معمولاً کوچکتر و کندتر از پستانداران بزرگ هستند.

دکتر می‌گوید: «یک توضیح احتمالی برای این ممکن است این باشد که ماهیچه‌های اندام درصد کمتری از بدن خزندگان هستند، به این معنی که آنها در وزن بدن کمتر به حد کار می‌رسند و بنابراین برای حرکت سریع باید کوچک بمانند.» تیلور دیک، محقق دانشگاه کوئینزلند.

در ترکیب با داده های گونه های مدرن، مدل این تیم همچنین پیش بینی کرد که حیوانات خشکی با وزن بیشتر از 40 تن قادر به حرکت نیستند.

سنگین ترین پستاندار زمینی موجود امروزی فیل آفریقایی با وزن حدود 6.6 تن است – اما برخی از دایناسورهای خشکی مانند پاتاگوتیتان احتمالاً بیش از 40 تن وزن داشتند.

محققان می‌گویند: «این نشان می‌دهد که ما باید محتاط باشیم که آناتومی ماهیچه‌ای حیوانات منقرض شده را از روی داده‌های حیوانات منقرض نشده تخمین بزنیم».

در عوض، داده‌ها نشان می‌دهند که غول‌های منقرض شده ممکن است آناتومی‌های عضلانی منحصربه‌فردی را ایجاد کرده باشند که مستلزم مطالعه بیشتر است.

دکتر دیوید لابونته، محقق در امپریال کالج لندن، می گوید: «مطالعه ما سؤالات جالب زیادی را در مورد فیزیولوژی ماهیچه های حیوانات منقرض شده و حیواناتی که امروزه زنده هستند، از جمله ورزشکاران انسان، مطرح می کند.

«محدودیت‌های فیزیکی به اندازه حیوانات در حال دویدن روی حیوانات شنا و پرواز تأثیر می‌گذارد – و باز کردن این محدودیت‌ها در دستور کار بعدی ما قرار دارد.»

مقاله ای در مورد یافته ها در مجله Nature Communications منتشر شد.

_____

D. Labonte و همکاران. 2024. شباهت دینامیکی و آلومتری عجیب حداکثر سرعت دویدن. Nat Commun 15, 2181; doi: 10.1038/s41467-024-46269-w