תורת הגודל של "הנקודה המתוקה" – מדענים מגלים סוד למהירות חסרת תחרות של ברדלסים

קיימת אנומליה בין המאפיינים הפיזיים של עולם החי. למרות שתכונות כמו כוח שרירי, אורך התוספתן, אורך חיים ומסת המוח מתרחבות בדרך כלל כלפי מעלה ככל שגודל האורגניזם גדל, המהירות המקסימלית שניתן להשיג בזמן ריצה מגיעה לשיא עם יצורים בעלי קומה בינונית.

כדי לחקור מדוע, צוות בינלאומי של חוקרים כולל אימפריאל, אוניברסיטת הרווארד, אוניברסיטת קווינסלנד ואוניברסיטת סאנשיין קוסט, פיתח מודל פיזי של האופן שבו שרירים, המנוע האוניברסלי של בעלי חיים, מציבים מגבלות על מהירויות הריצה הגבוהות ביותר של חיות היבשה .

המחבר הראשי ד"ר דיוויד לבונטה, מ אימפריאל קולג' לונדוןהמחלקה לביו-הנדסה, אמרה: "החיות המהירות ביותר הן לא פילים גדולים ולא נמלים זעירות, אלא בגודל בינוני, כמו ברדלסים. מדוע מהירות הריצה נשברת עם הדפוסים הקבועים השולטים ברוב ההיבטים האחרים של האנטומיה והביצועים של בעלי חיים?"

הממצאים שלהם מצביעים על כך שאין גבול אחד למהירות הריצה המרבית, כפי שחשבו בעבר, אלא שניים: כמה מהר לעומת כמה רחוק, השרירים מתכווצים. המהירות המקסימלית שחיה יכולה להגיע אליה נקבעת לפי הגבול שמגיע קודם – והמגבלה הזו מוכתבת על ידי גודל החיה.

מחבר שותף פרופסור כריסטופר קלמנטה, מאוניברסיטת Sunshine Coast ואוניברסיטת קווינסלנד, אמר: "המפתח למודל שלנו הוא ההבנה שמהירות הריצה המקסימלית מוגבלת הן על ידי מהירות התכווצות השרירים, כמו גם על ידי מידת התכווצותם. יכול להתקצר במהלך התכווצות.

"בעלי חיים בגודל של ברדלס קיימות במקום מתוק פיזי בסביבות 50 ק"ג, שם שני הגבולות הללו חופפים. לפיכך, החיות הללו הן המהירות ביותר, ומגיעות למהירויות של עד 65 מייל לשעה".

התוצאות מתפרסמות ב תקשורת טבע.

בודקים את הגבולות

הגבול הראשון, המכונה 'גבלת קיבולת האנרגיה הקינטית', מצביע על כך שהשרירים של בעלי חיים קטנים יותר מוגבלים לפי המהירות שבה הם יכולים להתכווץ. מכיוון שבעלי חיים קטנים מייצרים כוחות גדולים ביחס למשקל שלהם, הריצה עבור חיה קטנה היא קצת כמו לנסות להאיץ בהילוך נמוך ברכיבה בירידה.

הגבול השני, הנקרא 'מגבלת כושר העבודה', מצביע על כך שהשרירים של בעלי חיים גדולים יותר מוגבלים לפי כמה שרירים שלהם יכולים להתכווץ. מכיוון שבעלי חיים גדולים כבדים יותר, השרירים שלהם מייצרים פחות כוח ביחס למשקל שלהם, וריצה דומה יותר לניסיון להאיץ כאשר רוכבים במעלה גבעה בהילוך גבוה.

מחבר שותף ד"ר פיטר בישופ מאוניברסיטת הרווארד אמר: "עבור בעלי חיים גדולים כמו קרנפים או פילים, ריצה עשויה להרגיש כמו הרמת משקל עצום, מכיוון שהשרירים שלהם חלשים יותר וכוח הכבידה דורש עלות גדולה יותר. כתוצאה משניהם, בעלי חיים צריכים בסופו של דבר להאט ככל שהם גדלים".

כדי לבדוק את דיוק של המודל שלהם, הצוות השווה את התחזיות שלו לנתונים על מהירות וגודל בעלי חיים יבשתיים שנאספו מיותר מ-400 מִיןמיונקים גדולים, ציפורים ולטאות ועד עכבישים וחרקים זעירים.

המודל חזה במדויק כיצד מהירות הריצה המקסימלית משתנות עם גודל הגוף עבור בעלי חיים הנבדלים ביותר מ-10 סדרי גודל במסת הגוף – מקרדית זעירה של 0.1 מיליגרם ועד לפילים במשקל שישה טון.

הממצאים שלהם שופכים אור על העקרונות הפיזיקליים שמאחורי האופן שבו השרירים התפתחו ויכולים לתת מענה לעיצובים עתידיים לרובוטים התואמים את האתלטיות של אצני החיות הטובים ביותר.

בנוסף להסבר כמה מהר חיות יכולות לרוץ, המודל החדש עשוי לספק גם רמזים קריטיים להבנת ההבדלים בין קבוצות של בעלי חיים. זוחלים גדולים, כמו לטאות ותנינים, הם בדרך כלל קטנים ואיטיים יותר מיונקים גדולים.

מחבר שותף ד"ר טיילור דיק, מאוניברסיטת קווינסלנד, אמר: "הסבר אפשרי אחד לכך עשוי להיות ששריר הגפיים הוא אחוז קטן יותר מגופם של זוחלים, לפי משקל, כלומר הם מגיעים למגבלת העבודה במשקל גוף קטן יותר. , ולכן צריך להישאר קטן כדי לנוע במהירות."

המודל, בשילוב עם נתונים ממינים מודרניים, גם חזה שחיות יבשה שמשקלן כבד מ-40 טון לא יוכלו לזוז. היונק היבשתי הכבד ביותר שקיים כיום הוא הפיל האפריקאי במשקל של כ-6.6 טון – ובכל זאת כמה דינוזאורים יבשתיים, כמו הפטגוטיטן, שקלו כנראה הרבה יותר מ-40 טון.

החוקרים אומרים שזה מצביע על כך שעלינו להיות זהירים להעריך את האנטומיה השרירית של בעלי חיים שנכחדו על פי נתונים על בעלי חיים לא נכחדו. במקום זאת, הם מציעים שהנתונים מצביעים על כך שענקים שנכחדו אולי פיתחו אנטומיות שרירים ייחודיות, מה שמצדיק מחקר נוסף.

המחקר מעלה שאלות לגבי האופן שבו הצליחו דינוזאורים מסיביים לנוע, כמו גם שאלות הדורשות איסוף נתונים ממוקד יותר על קבוצות בעלי חיים ספציפיות, כמו זוחלים או עכבישים.

בעוד שהמחקר בחן רק חיות יבשה, החוקרים יישמו בשלב הבא את השיטות שלהם על בעלי חיים שעפים ושוחים.

ד"ר לבונטה אמר: "המחקר שלנו מעלה הרבה שאלות מעניינות לגבי הפיזיולוגיה של השרירים הן של בעלי חיים שנכחדו והן של אלה שחיים היום, כולל ספורטאים אנושיים. אילוצים פיזיים משפיעים על בעלי חיים שחייה ומטיסים כמו בעלי חיים רצים – ופתיחת גבולות אלו היא הדבר הבא בסדר היום שלנו".

מחקר זה מומן על ידי מועצת המחקר האוסטרלית, תוכנית מדעי הגבול האנושי ומועצת המחקר האירופית (ERC) במסגרת תוכנית המחקר והחדשנות של האיחוד האירופי Horizon 2020.