不大不小：为什么现代人类是速度的理想体型

Josiah02 · 发表于 2024-11-4 20:18:41

陆地上最快的动物是猎豹，最高时速可达104 公里。水中最快的动物是黄鳍金枪鱼和鲯鳅，它们的速度分别可达75 公里和 77 公里。空中最快的平飞动物（不包括俯冲）是白喉针尾雨燕，时速超过 112 公里。
这些速度飞快的动物有什么共同点？它们没有一个比它们所代表的动物群更大，也没有一个比它们所代表的动物群更小。事实上，它们都是中等体型。
造成这种情况的原因有点神秘。随着动物体重增加，一些生物特征也会发生变化。例如，一般来说，腿长会稳步增加。但显然，长腿并不是答案，因为最大的陆地动物，如大象，并不是跑得最快的。
但我和我的同事已经朝着解决这个谜团迈出了关键的一步。通过使用可缩放的虚拟人体模型，我们能够探索四肢和肌肉的运动，找出限制速度的因素，并获得有关数千年来人类形态进化的重要见解。研究结果发表在《自然通讯》杂志上。
从老鼠大小的人到巨人
自 21 世纪初以来，科学家们一直在构建OpenSim——一种免费的、虚拟的人体模型，其中包含人体的所有骨骼、肌肉和肌腱。
该模型已用于各种科学研究，以了解人类运动、探索运动科学并帮助模拟手术对软组织的影响。
2019 年，一组比利时研究人员更进一步，使用 OpenSim构建了一个基于物理的模拟。他们没有告诉模型如何移动，而是要求它以一定的速度向前移动。然后，模型会找出要激活哪些肌肉组合，以便能够以规定的速度行走或奔跑。
但是如果我们进一步将模型缩小到老鼠大小会怎么样？或者如果我们将模型放大到大象大小会怎么样？然后我们就能知道哪些模型可以运行，以及运行速度有多快。
以每秒 2.25 米的速度移动的 5 公斤、50 公斤和 500 公斤肌肉骨骼模型的预测肌肉驱动模拟。
这正是我的团队所做的。我们采用了标准的人体模型（75 公斤），并将模型做得越来越小，直到 100 克。我们还将模型做得更大，达到 2,000 公斤，并挑战他们尽可能快地奔跑。
获得正确的质量
当我们这样做时，发生了一些有趣的事情。
首先，2000 公斤的模型无法移动。1000 公斤的模型也无法移动。事实上，能够移动的最大模型是 900 公斤，这表明人体形态有一个上限。超过这个尺寸，我们就需要改变形状才能移动。
我们还发现，速度最快的模型既不是最大的，也不是最小的。相反，它的重量约为 47 公斤，与普通猎豹的重量相似。至关重要的是，我们可以看看引擎盖下面，看看为什么会这样。
解释最大跑步速度与质量的关系的曲线形状与解释最大地面力与质量的关系的曲线形状相同。这是有道理的：要移动得更快，你需要用更大的力推开地面。
那么为什么体型较大的模特无法用更大的力量推离地面呢？看来体型较大的模特受到了肌肉的限制。
肌肉产生力量的能力取决于肌肉的横截面积。随着动物体型的增大，肌肉质量的增长速度比横截面积的增长速度要快。
这意味着体型较大的动物的肌肉相对较弱。肌肉开始在最大速度以上“发挥最大”——因此模型必须放慢速度。
而微型模型则相反，它们的肌肉相对较强，但重力问题严重，体重太轻，它们试图用力推地面，产生较大的力量，但这只会导致身体更早离开地面。
为了在地面上产生更大的力量，它们会蹲下四肢，就像老鼠或猫一样。这样它们就可以在地面上停留更长时间，从而产生更大的力量，就像你做立定跳远时一样。但这需要时间。你产生力量的时间越长，你的步伐就会越慢，但你仍然跑不快。
因此，地面力量和步频之间的权衡就开始了，并且直到你达到中等尺寸（此时你的体重正好合适）才会结束。
我们将尽快
这一切对于人类进化意味着什么？
我们知道，纵观历史，现代人类和已灭绝的人类物种（被称为“原始人类”）的体型差异很大，从大约 350 万年前体重约 30 公斤的南方古猿阿法种，到近 200 万年前体重约 80 公斤的直立人。
因此，总体而言，体重趋于增加——我们的奔跑速度也应该如此。纳莱迪人存在于约 30 万年前，体重约为 37 公斤，而弗洛勒斯人存在于约 5 万年前，体重约为 27 公斤，他们肯定因为体型较小而牺牲了一些速度。
现代成年人的平均体重约为 62 公斤——比我们通过模型得出的峰值体重 47 公斤略重，但仍接近理想体重。
有趣的是，我们许多最快的长跑运动员，例如埃利乌德·基普乔格 (Eliud Kipchoge)，体重都在 50 公斤左右。
因此，根据我们的新研究，我们现在知道，在肌肉形态不发生重大变化的情况下，当今人类的速度已经达到了我们可以达到的最快水平。

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