東京奧運會上一項備受矚目的田徑賽事是男子100米短跑。頂級短跑運動員的跑步速度幾乎可以達到40公里/小時。不過，這與動物王國的短跑成績相比真不算什么——只相當于一只家貓的最高時速。獵豹的速度(超過100公里/小時)是人類的兩倍多，甚至羚羊(90公里/小時)、疣豬和野兔(二者速度略低于60公里/小時)都比人類跑得快。
實際上，許多4條腿的哺乳動物跑得比兩條腿的人快得多。而且，苗條的體型、長腿和特別靈活的脊柱，也幫獵豹或羚羊等動物在跑步時達到很快的速度。近日，德國研究人員開發(fā)了一個模型，通過綜合這些因素，可以計算出任何體型動物的最快奔跑速度。相關(guān)論文近日發(fā)表于《理論生物學(xué)期刊》。
為什么中型動物能達到自然界的最快速度?哪些主要特征決定了最快奔跑速度?什么特征會限制速度?為了回答這些問題，斯圖加特大學(xué)的Michael Gunther帶領(lǐng)研究人員描述了生物體的形狀如何隨著身體大小的變化而變化以實現(xiàn)高速奔跑，以及特定的形狀如何影響其所能達到的最快速度。
研究人員表示，經(jīng)典例子是老鼠和大象。老鼠永遠無法達到大象的體型，因為它們的骨頭會在如此龐大的重量下斷裂。相比之下，大象的骨骼更厚、更重，腿也更長、更直。然而，沉重的骨骼和直腿限制了大象的最快速度，它們的速度遠低于獵豹——盡管大象的腿比其長得多。
然而，最快速度不僅取決于體型，還取決于結(jié)構(gòu)，比如腿的數(shù)量和脊柱的靈活性。例如，許多4條腿的哺乳動物能夠達到比人類和鳥類等兩足動物更快的跑步速度，因為它們可以利用軀干肌肉的推進來飛奔。
“然而，如果動物太重，即使再有力的肌肉也無濟于事，因為更大的肌肉在最快速度下需要更多時間收縮。”科隆大學(xué)的Tom Weihmann說，“因此，體重上限超過50公斤后，短跑速度又會開始下降，這與地球上最快的‘短跑選手’獵豹和叉角羚的平均體重相當接近。”
這個模型甚至可以預(yù)測幻想中的生物。例如，《指環(huán)王》中巨型蜘蛛Shelob的最高時速可以達到60公里左右。而且該模型表明，人類頂尖短跑運動員已經(jīng)非常接近他們的最佳速度了。除了特殊的跑步鞋或外骨骼等技術(shù)應(yīng)用，否則只有更長的腿或更有彈性的肌腱才能實現(xiàn)更快的速度。
