从猎豹到羚羊，再到黄鳍金枪鱼和尖尾燕——这些快速的生物可能看起来非常不同，但它们都有共同的特征。
它们不仅是地球上跑得最快的动物之一，而且对于它们所代表的种群来说，它们都是中等大小的。
这一现象的原因已经困扰了几代生物学家。但是一组研究人员——包括昆士兰大学生物医学科学学院的泰勒·迪克博士——已经朝着解决这个谜团迈出了一大步，他们使用尖端的肌肉骨骼模拟来更好地理解尺寸和重量是如何影响速度和能量输出的。
重点:
研究小组创造了预测肌肉骨骼模拟以人类运动为基础，复制真实世界的物理动作约束和生物力学过程。
结果表明，有基本的生物力学原理这些限制了非常小和非常大的动物的速度。
了解体型是如何影响速度和能量的可以帮助我们自然资源保护主义者预测动物如何应对环境的变化，古动物学家了解许多大型动物灭绝的原因，生物力学家开发训练策略来优化运动员的速度或效率。
迪克博士说，理解中型动物为什么跑得最快一直是进化生物学、生物力学和生态学的一个主要问题。
她说：“像老鼠和鼩鼱这样的小动物，通常在短时间内看起来很快，但不能长时间保持高速。”
虽然直觉可能认为大型动物应该更快，因为它们的步伐更长，但现实要复杂得多。
“已经提出了几种理论-包括代谢限制，肌肉力量和肢体运动的生物力学的作用-然而，动物形状，步态和环境的多样性使得很难确定造成这种模式的确切因素。”
“这种创新的方法有助于阐明不同寻常的速度缩放背后的机制，并揭示了可以预测不同大小的动物如何移动的一般规则。”
迪克博士的研究探索了神经肌肉功能的机制，使用实验和建模方法来了解肌肉骨骼系统的解剖结构和生物力学如何适应诸如大小，年龄和疾病等挑战。
在这项最新的研究中，她与阳光海岸大学的克里斯托弗·克莱门特副教授和比利时鲁汶大学的弗里德尔·德·格罗特副教授一起，基于人类运动，模拟肌肉、骨骼和肌腱共同产生运动的方式，创造了预测性肌肉骨骼模拟。
这使得模型能够复制现实世界的物理约束和生物力学过程。
使用OpenSim——一个免费的、包含骨骼、肌肉和肌腱的人体虚拟模型——这些模型被按比例缩放到不同的体重范围，从老鼠的大小（不到100克）到大象的大小（高达2000公斤）。
迪克博士说：“虽然这些模型是基于人体解剖学，但它们被概括为模仿许多动物的基本运动原理，比如使用腿来支撑和推进。”
“模拟使我们能够控制肌肉力量和肢体结构等因素，这些因素在不同物种之间差异很大，并专注于控制不同体型运动的一般原则。”
这项研究产生了3个关键发现，反映了对动物的真实观察：
1. 中等尺寸是最快的
只有重量在100克至900公斤之间的型号能够移动，而1000公斤和2000公斤的型号根本无法移动。这表明人体尺寸有上限。
在那些会移动的模型中，模拟结果显示，中等大小的模型速度最快。最快的模型重约47公斤，与猎豹的平均体重相似。
“为了移动得更快，动物需要更用力地蹬离地面。但体型较大的模特似乎受到了肌肉的限制。
“另一方面，微型模型的肌肉相对较强，但太轻了。”
为了在地面上产生更大的力量，较小的模型蜷缩着四肢，就像老鼠或猫一样，这使得它们在地面上停留的时间更长，产生的力量更大。
2. 从蹲姿到直立姿势的转变
研究小组观察到，在较小的模型中，人们从蹲着的姿势转变为较大的模型中更直立的姿势。
迪克博士说，这种姿势的变化在动物体型的变化中很常见。
她说：“像啮齿类动物这样的小型动物倾向于蜷缩着走路，而像马和大象这样的大型动物则倾向于直立行走。”
“这种转变在一定程度上与大型动物需要用四肢支撑更多的重量有关。”
3. 降低运输成本
模拟还表明，随着体型的增大，移动一定距离所需的能量会减少。
迪克博士说：“这与现实世界的数据一致，与小型动物相比，大型动物往往更节能。”
“它还强调了能量学在决定不同体型动物的运动策略和速度方面的重要性。”
肯尼亚马拉松冠军Eliud Kipchoge。图片来源：张林涛/盖蒂图片社
肯尼亚马拉松冠军Eliud Kipchoge。图片来源：张林涛/盖蒂图片社
迪克博士说，这些发现对理解动物运动和进化具有重要意义。
迪克博士说：“我们已经创建了一个框架，可以预测不同大小的动物如何移动，它在从生态学和保护到机器人和临床生物力学等领域都有潜在的应用。”
“了解体型如何影响速度和能量，甚至可以帮助保护主义者预测动物对环境变化的反应，比如栖息地丧失或气候变化。
但是这告诉了我们关于人类进化的什么呢？
迪克博士说：“纵观历史，人类的体型从体型较小（约30公斤）的南方古猿阿法种到体型较大（约80公斤）的直立人不等，所以体重有增加的趋势——我们的跑步速度也可能有增加的趋势。”
“现代成年人的平均体重是62公斤，比我们的模型预测的47公斤体重要重一些。
“有趣的是，许多世界上跑得最快的长跑运动员，比如埃利乌德·基普乔格，体重约为50公斤。”
迪克博士说，研究小组还可以利用他们的模拟，开发出代表2032年布里斯班奥运会和残奥会精英短跑运动员训练的模型。
她说：“这可以帮助我们理解肌肉骨骼形态的微小变化，或者加强股四头肌而不是腿筋，如何帮助运动员在消耗更少能量的情况下提高他们的表现。”
“不过，根据我们的研究，我们现在知道，今天的人类的速度和我们的速度一样快，而且我们的肌肉形态不会发生太大变化。”
