![]()
图片来源：Pixabay
人类即将迎来一场太空危机：数不清的太空垃圾正在地球轨道上疾驰，随时可能撞上现役航天器。除了躲避，我们还有其他办法吗？
3月21日晚20:00，锁定《环球科学》直播间，和编辑畅聊“空间碎片防御术”，还有“AI文本暗藏水印”“照亮抑郁迷宫的迷走神经”……诸多话题等你来聊。
直播全程抽奖不断，杂志、桌垫送不停，更有超优惠订阅福利！
福利仅限直播期间领取，不想错过直播？赶紧点击按钮【预约】直播吧！
陆地上最快的动物是猎豹，最高时速可达104千米。在水中游得最快的动物是黄鳍金枪鱼和刺鲅，时速分别为75千米和77千米。在空中，最快的水平飞行（不包括俯冲）纪录由白喉针尾雨燕保持，其时速超过了112千米。
这些速度快的动物有什么共同点呢？它们在各自所属的动物类群中，体型既不算特别大，也不算特别小。事实上，它们都属于中等体型。
这其中的原因仍然是个谜。随着动物体重增加，它们的一些生物学特征也会随之变化。例如，通常来说，动物腿的长度也会随着体重增加而逐渐增长。但显然，腿长并不是决定速度的关键，因为最大的陆地动物（例如大象）并不是速度最快的。
![]()
图片来源：Pixabay
但是，我和我的同事们已经朝着解开这个谜团迈出了关键一步。我们通过使用一种可伸缩的虚拟人体模型，探索了四肢和肌肉的运动，找出限制速度的因素，并从人类形态数百万年的演化中获得了重要见解。
自21世纪初以来，科学家一直在构建一个名为OpenSim的虚拟人体模型，该模型免费开放，涵盖人体所有的骨骼、肌肉和肌腱。这个模型已经被用于多项科学研究，以帮助理解人体运动，探索运动科学，以及模拟手术对软组织的影响。2019年，来自比利时的一个研究团队更进一步，利用 OpenSim构建了一个基于物理的仿真模型。不同于告诉模型如何运动，他们让模型以特定速度向前移动，然后让模型计算出想要按照规定的速度行走或奔跑，需要激活哪些肌肉组合。不过如果我们将这个模型缩小至老鼠大小，或者放大到大象的大小，会发生什么？这样，我们就能观察到哪些模型可以奔跑，以及它们能有多快。这正是我的团队所做的研究，这项研究已于去年10月发表于《自然·通讯》（Nature Communications）。我们以标准的人体模型（体重为75千克）为基础，制作了越来越小的模型，最小的体重只有100克；同时我们制作了越来越大的模型，一直到2000千克，并让它们挑战以尽可能快的速度奔跑。当我们利用这些模型进行实验时，发生了一些有趣的事情。首先，2000千克和1000千克的模型完全无法移动。事实上，能移动的最大模型是900千克，这表明人类的形态存在质量上限。若超过这个大小，我们需要改变身体形态才能移动。![]()
我们还发现，速度最快的模型并不是体型最大或最小的，而是体重大约为47千克，与一只普通猎豹的体重相仿。重要的是，我们可以深入分析内部机制，找出其中的原因。用于解释最快奔跑速度与质量关系的曲线，与解释最大地面推力与质量关系的曲线形状相同。这其实很合理，因为要想跑得更快，就需要更用力地推动地面。那么，为什么更大的模型无法向地面施加更大的推力呢？研究显示，更大的模型似乎受到了肌肉的限制。肌肉发力主要取决于其横截面积。随着动物体型的增大，它们肌肉的质量增长速度会比横截面积变大的速度更快。这意味着大型动物的肌肉相对更弱。而当它们超过肌肉能承受的最大速度后，肌肉的力量会达到极限，进而不得不减速。在另一端，较小模型的肌肉相对会更强壮，但在重力方面存在问题：它们太轻了，当它们试图用力推动地面时，只会让身体过早地离开地面。为了增加对地面的推力，这些小型人体模型会蜷缩四肢，就像老鼠或猫一样。这种姿势可以让它们在地面上停留更久，从而产生更大的推力，就像人在做立定跳远时会先蹲下一样。不过这个过程需要额外的时间，而推力产生得越慢，步频就会越低，最终它们也无法跑得更快。在这个过程中，地面推力与步频之间会持续处于一种权衡关系，直至你达到一个中等大小的体型，此时重量恰到好处。这些发现对人类演化意味着什么呢？纵观历史，现代人类与已经灭绝的人类物种（统称为“古人类”）的体型差异极大。生活在大约350万年前的南方古猿阿法种（Australopithecus afarensis），体重只有约30千克，而近200万年前的直立人（Homo erectus）则约80千克。![]()
总体来看，人类体重在演化的过程中逐渐增加，这也很可能意味着奔跑速度的提升。例如，纳勒迪人（Homo naledi）（生活在约30万年前，体重约37千克）和弗洛勒斯人（Homo floresiensis）（生活在约5万年前，体重约27千克）的体型都较小，因此它们必然牺牲了一些奔跑速度。现代成年人的平均体重大约62千克，比我们模型计算出的最快体重（47千克）略重，但仍然接近这个理想值。有趣的是，许多世界顶级长跑运动员，如埃鲁德·基普乔格（Eliud Kipchoge）的体重大约50千克，与这个最佳体重十分接近。因此，根据我们的研究，现代人类的奔跑速度已经接近极限——除非我们的肌肉结构发生重大改变，否则不会再明显变快。参考链接：
https://theconversation.com/not-too-big-not-too-small-why-modern-humans-are-the-ideal-size-for-speed-241668
https://www.nature.com/articles/s41467-024-52924-z
本文来自微信公众号“环球科学”。如需转载，请在“环球科学”后台回复“转载”，还可通过公众号菜单、发送邮件到newmedia@huanqiukexue.com与我们取得联系。相关内容禁止用于营销宣传。
