Tại sao ngay cả người đàn ông nhanh nhất thế giới cũng không thể vượt qua một con mèo nhà thông thường

Tại sao ngay cả người đàn ông nhanh nhất thế giới cũng không thể vượt qua một con mèo nhà thông thường
Tại sao ngay cả người đàn ông nhanh nhất thế giới cũng không thể vượt qua một con mèo nhà thông thường
Anonim

Theo một nghiên cứu mới, ngay cả con người nhanh nhất hành tinh cũng sẽ không thể bắt kịp con mèo nhà bình thường. Trong một cuộc thi với báo gêpa, vận động viên Olympic nhanh nhẹn sẽ không có cơ hội chiến thắng. Điều gì xác định tốc độ tối đa?

Mô hình mới giải thích cách các lực và cấu trúc cơ thể khác nhau hạn chế tốc độ chạy tối đa ở người.

Tuần trước, những vận động viên chạy nước rút nhanh nhất thế giới đã tập trung tại Thế vận hội Tokyo để tranh HC vàng trong cuộc đua 100 mét. Lamont Marcell Jacobs về đích trong 9, 80 giây, giành HCV đầu tiên của Italia ở bộ môn này. Trong số các nữ, Jamaica giành HCV, HCB và HCĐ - chiến thắng rõ ràng dẫn đầu bởi Elaine Thompson-Herah, người đã phá kỷ lục Olympic được thiết lập cách đây 33 năm, chạy cự ly trong 10,61 giây.

Nhưng không ai trong số họ có thể đạt đến đỉnh cao của di sản tám lần vô địch Olympic Usain Bolt, người đã từ giã sự nghiệp thể thao vào năm 2017 nhưng vẫn giữ danh hiệu người đàn ông nhanh nhất hành tinh. Bolt chạy 100m trong 9,58 giây. Tuy nhiên, mặc dù tốc độ của Bolt đạt 43,5 km / h, nhưng con số này vẫn kém tốc độ của một con mèo nhà bình thường. (Đúng vậy, loài mèo nhà bình thường.) Trong một cuộc cạnh tranh với báo gêpa và pronghorns, được coi là những động vật nhanh nhất hành tinh, Bolt sẽ không có cơ hội chiến thắng.

Bạn có thể nghĩ rằng một con vật có thể chạy nhanh như thế nào phụ thuộc vào kích thước cơ bắp của nó: nhiều sức mạnh hơn, tốc độ hơn. Mặc dù điều này đúng ở một mức độ nào đó, nhưng một con voi sẽ không bao giờ vượt qua linh dương. Vậy điều gì thực sự quyết định tốc độ tối đa?

Gần đây, một nhóm các nhà khoa học dẫn đầu bởi nhà nghiên cứu cơ sinh học Michael Günther từ Đại học Stuttgart đã quyết định tìm hiểu quy luật tự nhiên nào quyết định tốc độ chạy tối đa trong vương quốc động vật. Trong nghiên cứu mới của họ, kết quả được công bố vào tuần trước trên Tạp chí Sinh học Lý thuyết, họ đã trình bày một mô hình phức tạp, có tính đến kích thước cơ thể, chiều dài chân, mật độ cơ và hơn thế nữa, để giải thích những đặc điểm nào của cấu trúc cơ thể. quan trọng nhất để đảm bảo tốc độ nhanh nhất có thể.

Nghiên cứu mới này cung cấp cái nhìn sâu sắc về sự tiến hóa sinh học của cá bốn chân và thói quen chạy của chúng, đồng thời có thể được các nhà sinh thái học sử dụng để hiểu giới hạn tốc độ ảnh hưởng như thế nào đến quần thể, lựa chọn môi trường sống và động lực của quần thể các loài khác nhau. Nghiên cứu cũng có thể hữu ích cho các kỹ sư robot và y sinh, những người đang nghiên cứu cấu trúc cơ thể động vật tối ưu để cải thiện thiết kế cho robot đi bộ bằng hai chân và các bộ phận giả khác nhau.

Gunther nói về mục đích của nghiên cứu: “Đó là về việc tìm hiểu nguyên nhân của sự tiến hóa, cũng như tại sao và làm thế nào nó thay đổi cấu trúc cơ thể. "Bạn cũng có thể mở rộng kiến thức của mình về cách các nhu cầu tiến hóa khác nhau ảnh hưởng đến cấu tạo cơ thể, bao gồm cả nhu cầu chạy nhanh."

Nghiên cứu trước đây trong lĩnh vực này, do Myriam Hirt thuộc Trung tâm Nghiên cứu Đa dạng Sinh học Tích hợp của Đức dẫn đầu, đã chỉ ra rằng chìa khóa của tốc độ liên quan đến quá trình trao đổi chất của động vật - tức là quá trình chuyển hóa chất dinh dưỡng thành nhiên liệu, một lượng hữu hạn trong đó được lưu trữ trong các sợi cơ để sử dụng trong quá trình chạy. Nhóm của Hurt phát hiện ra rằng những động vật lớn hơn hết nhiên liệu nhanh hơn những động vật nhỏ hơn vì chúng mất nhiều thời gian hơn để tăng tốc cơ thể nặng hơn của chúng. Điều này được gọi là mỏi cơ. Điều này giải thích tại sao - hoàn toàn về mặt lý thuyết - một con người có thể chạy nhanh hơn khủng long bạo chúa.

Nhưng Gunther và các đồng nghiệp của ông tỏ ra nghi ngờ về kết luận này. “Tôi nghĩ chúng ta có thể đưa ra một lời giải thích khác,” anh ấy nói, “một cách giải thích mà chỉ các nguyên tắc vật lý cổ điển mới được sử dụng để mô tả các giới hạn tốc độ. Vì vậy, các nhà khoa học đã tạo ra một mô hình cơ sinh học bao gồm hơn 40 thông số khác nhau liên quan đến cấu trúc cơ thể, hình học chạy và sự cân bằng của các lực tác động lên cơ thể.

Robert Rockenfeller, nhà toán học tại Đại học Koblenz-Landau, đồng tác giả của nghiên cứu, cho biết: “Ý tưởng cơ bản là có hai yếu tố hạn chế tốc độ tối đa. Đầu tiên là lực cản của không khí, là lực tác động lên mỗi chân khi nó cố gắng di chuyển cơ thể về phía trước. Vì tác động của lực cản không tăng khi khối lượng tăng lên, nên đây là yếu tố hạn chế tốc độ chủ đạo ở các động vật nhỏ hơn. “Với lực cản của không khí, nếu bạn nặng vô cùng, bạn sẽ chạy nhanh vô cùng,” Rockenfeller giải thích.

Yếu tố tác động thứ hai, chỉ tăng khi trọng lượng cơ thể tăng lên, là quán tính, tức là sức đề kháng của cơ thể đối với sự thay đổi trạng thái của nó, trong trường hợp này, khi tăng tốc từ trạng thái nghỉ ngơi. Rockenfeller nói rằng động vật có giới hạn thời gian để gia tốc khối lượng của chính nó: đây là khoảng thời gian từ khi chân ở trên mặt đất cho đến khi chân được nhấc lên khỏi mặt đất. Điều này đặc biệt hạn chế đối với những động vật lớn hơn: khối lượng càng cần đẩy về phía trước thì càng khó vượt qua động lượng. Như vậy, động vật có trọng lượng cơ thể thấp hơn có lợi thế hơn.

Theo kết quả nghiên cứu, giá trị tối ưu của trọng lượng cơ thể để vượt qua sức cản của không khí và quán tính là khoảng 50 kg. Không phải ngẫu nhiên mà đây là trọng lượng trung bình của loài báo gêpa và loài ngỗng trời.

Nhóm của Gunther cũng có thể tính toán tốc độ tối đa lý thuyết cho các cấu trúc cơ thể khác nhau nặng khoảng 100 kg. Một con mèo nhà cỡ này có thể chạy với tốc độ 74 km một giờ; một con nhện khổng lồ, nếu đôi chân của nó bằng cách nào đó có thể hỗ trợ trọng lượng của nó, sẽ tăng tốc lên 56 km một giờ. Nó không có gì đáng ngạc nhiên, nhưng chỉ số trung bình cho một người nặng 100 kg là cuối cùng trong hàng này: tốc độ của anh ta sẽ không vượt quá 38 km một giờ.

Nhưng kích thước cơ thể không phải là đặc điểm duy nhất ảnh hưởng đến tốc độ tối đa. Mô hình cho thấy chiều dài chân cũng quan trọng. Động vật có chân dài hơn có thể đẩy cơ thể về phía trước trước khi chân phải nhấc khỏi mặt đất, điều này kéo dài thời gian chúng tăng tốc giữa giai đoạn giữa chân và khi nhấc khỏi mặt đất.

Về lý do tại sao động vật bốn chân có thể chạy nhanh hơn con người, Gunther giải thích rằng điều này không phải vì chúng ta chỉ có hai chân, mà vì cơ thể chúng ta thẳng đứng và chịu toàn bộ lực hấp dẫn. Trong quá trình tiến hóa ở các sinh vật hai chân, cột sống trở nên ít di động hơn nhiều, vì đối với chúng, sự cân bằng và ổn định là ưu tiên của tốc độ. Trong khi đó, những loài động vật có cơ thể nằm song song với mặt đất, trong quá trình tiến hóa đã nhận được những chiếc gai mềm dẻo hơn, tối ưu cho việc tiếp xúc lâu của chân với mặt đất.

Còn mỏi cơ thì sao? “Không thành vấn đề,” Gunther nói. Là một phần của nghiên cứu, nhóm của ông kết luận rằng bất kỳ loài động vật nào cũng có thể tăng tốc lên ít nhất 90% tốc độ tối đa trước khi hết nhiên liệu.

Carl Cloyed, một nhà sinh thái học tại Phòng thí nghiệm Biển Đảo Dauphin ở Alabama, người nghiên cứu sự chuyển động của động vật, tin rằng từ quan điểm tiến hóa, một lời giải thích về cơ sinh học có ý nghĩa hơn là cơ … Ông nói: “Tôi đề nghị rằng trong quá trình tiến hóa, động vật phải thích nghi với điều này. Tuy nhiên, ông thừa nhận rằng cần phải có thêm nhiều nghiên cứu thử nghiệm để xác nhận mô hình mới.

Gunther và Rockenfeller đồng ý rằng cần nhiều thí nghiệm hơn để kiểm tra phát hiện của họ và họ tin rằng họ đã cung cấp một mô hình toàn diện để các nhà khoa học khác tiếp tục thử nghiệm. Tuy nhiên, tất cả các nhà khoa học đều nhận ra rằng điều này sẽ gặp rất nhiều khó khăn. Kloyed cho biết, các nhà khoa học sẽ cần chụp và quan sát các loài động vật trong phòng thí nghiệm hoặc sử dụng các cảnh quay video chất lượng cao để phân tích cơ chế sinh học trong chuyển động của chúng. Phương pháp chính xác nhất để nghiên cứu chuyển động của động vật đang chạy có thể là cấy các cảm biến cơ học vào mô cơ của chúng và quan sát thêm chúng trong môi trường sống tự nhiên của chúng. Tuy nhiên, theo Gunther, điều này kéo theo một loạt các vấn đề về hậu cần và đạo đức rõ ràng.

Kloyed cũng muốn xem phân tích này mở rộng như thế nào, đặc biệt là bao gồm các phương thức vận động khác như bay và bơi. "Nếu giả thuyết này đúng, nó có thể được áp dụng cho các vật thể khác trong môi trường."

Vậy, liệu ai có thể đánh bại kỷ lục của Usain Bolt? Có lẽ, nhưng mọi người không chắc có thể chạy nhanh hơn nữa. Cơ sinh học của việc chạy cho thấy rằng chúng ta đã tiến gần đến giới hạn của cơ thể con người. Và khi ai đó trở thành người nhanh nhất hành tinh, anh ta sẽ phải đồng ý rằng anh ta sẽ chỉ mang danh hiệu này giữa mọi người. Trong vương quốc động vật, chúng ta không có gì để trông cậy.

Đề xuất: