动物世界的身体特征中存在一种反常现象。虽然肌肉力量、附肢长度、寿命和脑容量等属性通常会随着生物体型的增大而增加，但中等身材的生物在奔跑时所能达到的最大速度却达到了顶峰。

为了探究其中的原因，一个由帝国理工大学、哈佛大学、昆士兰大学和阳光海岸大学组成的国际研究小组开发了一个物理模型，研究肌肉这种动物通用的运动是如何限制陆地动物的最高奔跑速度的。

领衔作者、伦敦帝国学院生物工程系的戴维-拉邦特博士说："跑得最快的动物既不是大象，也不是小蚂蚁，而是像猎豹这样中等大小的动物。为什么奔跑速度会打破支配动物解剖和表现的大多数其他方面的规律模式呢？"

他们的研究结果表明，最大奔跑速度并不像以前认为的那样只有一个限制，而是有两个限制：肌肉收缩的速度和程度。动物所能达到的最大速度取决于最先达到的那个极限，而这个极限是由动物的体型决定的。

论文共同作者、阳光海岸大学和昆士兰大学的克里斯托弗-克莱门特教授说："我们模型的关键在于理解最大跑步速度既受到肌肉收缩速度的限制，也受到肌肉在收缩过程中缩短程度的限制。与猎豹体型相仿的动物，其体重在 50 千克左右，这两个极限在此重合。因此，这些动物的速度最快，时速可达 65 英里"。

研究结果发表在《自然-通讯》上。

测试极限

第一种限制被称为"动能容量限制"，它表明较小动物的肌肉受到其收缩速度的限制。因为相对于体重而言，小动物会产生很大的力，所以小动物跑步就有点像骑车下坡时试图用低速档加速。

第二个限制被称为"工作能力限制"，它表明大型动物的肌肉受到其肌肉收缩程度的限制。由于大型动物较重，它们的肌肉相对于体重所产生的力量较小，因此跑步更类似于用高挡骑车上坡时试图加速。

共同作者、哈佛大学的彼得-毕肖普博士说："对于犀牛或大象这样的大型动物来说，奔跑的感觉就像举起一个巨大的重物，因为它们的肌肉相对较弱，而重力要求它们付出更大的代价。由于这两方面的原因，动物最终不得不随着体型的增大而放慢速度"。

为了测试模型的准确性，研究小组将其预测结果与从 400 多种陆地动物（从大型哺乳动物、鸟类和蜥蜴到小蜘蛛和昆虫）中收集到的有关陆地动物速度和大小的数据进行了比较。

该模型准确预测了体重相差 10 个数量级以上的动物（从 0.1 毫克的小螨虫到 6 吨重的大象）的最大奔跑速度随体型的变化情况。他们的发现揭示了肌肉进化背后的物理原理，可以为未来设计出与最优秀的动物跑步运动员的运动能力相媲美的机器人提供参考。

除了解释动物的奔跑速度，新模型还可能为理解动物群体之间的差异提供重要线索。蜥蜴和鳄鱼等大型爬行动物通常比大型哺乳动物体型小、速度慢。

共同作者、昆士兰大学的泰勒-迪克博士说："一种可能的解释是，按重量计算，四肢肌肉在爬行动物体内所占的比例较小，这意味着它们在体重较小的时候就达到了工作极限，因此必须保持较小的体型才能快速移动。"

该模型结合现代物种的数据还预测，体重超过 40 吨的陆地动物将无法移动。现存最重的陆地哺乳动物是非洲象，重约 6.6 吨--然而一些陆地恐龙体重可能远远超过 40 吨。

研究人员说，这表明我们应该谨慎地根据非灭绝动物的数据来估计灭绝动物的肌肉解剖结构。相反，他们认为这些数据表明，已灭绝的巨型动物可能已经进化出了独特的肌肉解剖结构，这值得进行更多的研究。

这项研究提出了关于体型庞大的恐龙如何移动的问题，以及需要对特定动物群（如爬行动物或蜘蛛）进行更有针对性的数据收集的问题。

虽然这项研究只针对陆地动物，但研究人员下一步将把他们的方法应用到飞行和游泳动物身上。

拉邦特博士说："我们的研究提出了许多有趣的问题，既涉及已灭绝动物的肌肉生理学，也涉及当今活着的动物（包括人类运动员）的肌肉生理学。物理限制对游泳和飞行动物的影响不亚于对奔跑动物的影响--解开这些限制是我们的下一个议程。"

编译自:ScitechDaily