動物世界的身體特徵中存在著一種反常現象。雖然肌肉力量、附肢長度、壽命和腦容量等屬性通常會隨著生物體型的增大而增加，但中等身材的生物在奔跑時所能達到的最大速度卻達到了頂峰。

為了探討其中的原因，一個由帝國理工大學、哈佛大學、昆士蘭大學和陽光海岸大學組成的國際研究小組開發了一個物理模型，研究肌肉這種動物通用的運動是如何限制陸地動物的最高奔跑速度的。

領銜作者、倫敦帝國學院生物工程系的戴維-拉邦特博士說：”跑得最快的動物既不是大象，也不是小螞蟻，而是像獵豹這樣中等大小的動物。為什麼奔跑速度會打破支配動物解剖和表現的大多數其他方面的規律模式呢？”

他們的研究結果表明，最大奔跑速度並不像以前認為的那樣只有一個限制，而是有兩個限制：肌肉收縮的速度和程度。動物所能達到的最大速度取決於最先達到的那個極限，而這個極限是由動物的體型決定的。

論文共同作者、陽光海岸大學和昆士蘭大學的克里斯托弗-克萊門特教授說：”我們模型的關鍵在於理解最大跑步速度既受到肌肉收縮速度的限制，也受到肌肉在收縮過程中縮短程度的限制。與獵豹體型相仿的動物，其體重在50 公斤左右，這兩個極限在此重合。因此，這些動物的速度最快，時速可達65 英里”。

研究結果發表在《自然-通訊》。

測試極限

第一種限制被稱為”動能容量限制”，它顯示較小動物的肌肉受到其收縮速度的限制。因為相對於體重而言，小動物會產生很大的力，所以小動物跑步就有點像騎車下坡時試圖用低速檔加速。

第二個限制被稱為”工作能力限制”，它顯示大型動物的肌肉受到其肌肉收縮程度的限制。由於大型動物較重，它們的肌肉相對於體重所產生的力量較小，因此跑步更類似於用高擋騎車上坡時試圖加速。

共同作者、哈佛大學的彼得-畢肖普博士說：”對於犀牛或大象這樣的大型動物來說，奔跑的感覺就像舉起一個巨大的重物，因為它們的肌肉相對較弱，而重力要求它們付出更大的代價。由於這兩方面的原因，動物最終不得不隨著體型的增大而放慢速度”。

為了測試模型的準確性，研究小組將其預測結果與從400 多種陸地動物（從大型哺乳動物、鳥類和蜥蜴到小蜘蛛和昆蟲）中收集到的有關陸地動物速度和大小的數據進行了比較。

該模型準確預測了體重相差10 個數量級以上的動物（從0.1 毫克的小蟎蟲到6 噸重的大象）的最大奔跑速度隨體型的變化。他們的發現揭示了肌肉進化背後的物理原理，可以為未來設計出與最優秀的動物跑步運動員的運動能力相媲美的機器人提供參考。

除了解釋動物的奔跑速度，新模型還可能為理解動物群體之間的差異提供重要線索。蜥蜴和鱷魚等大型爬蟲類通常比大型哺乳動物體型小、速度慢。

共同作者、昆士蘭大學的泰勒-迪克博士說：”一種可能的解釋是，按重量計算，四肢肌肉在爬行動物體內所佔的比例較小，這意味著它們在體重較小的時候就達到了工作極限，因此必須保持較小的體型才能快速移動。”

該模型結合現代物種的數據也預測，體重超過40 噸的陸地動物將無法移動。現存最重的陸地哺乳動物是非洲象，重約6.6 噸–然而一些陸地恐龍體重可能遠超過40 噸。

研究人員說，這表明我們應該謹慎地根據非滅絕動物的數據來估計滅絕動物的肌肉解剖結構。相反，他們認​​為這些數據表明，已滅絕的巨型動物可能已經進化出了獨特的肌肉解剖結構，值得進行更多的研究。

這項研究提出了關於體型龐大的恐龍如何移動的問題，以及需要對特定動物群（如爬行動物或蜘蛛）進行更有針對性的數據收集的問題。

雖然這項研究只針對陸地動物，但研究人員下一步將把他們的方法應用在飛行和游泳動物身上。

拉邦特博士說：『我們的研究提出了許多有趣的問題，既涉及已滅絕動物的肌肉生理學，也涉及當今活著的動物（包括人類運動員）的肌肉生理學。物理限制對游泳和飛行動物的影響不亞於對奔跑動物的影響–解開這些限制是我們的下一個議程。”

編譯自: ScitechDaily