치타의 타의 추종을 불허하는 속도는 '스위트 스팟(Sweet Spot)' 크기로 설명 됨

동물계에는 불일치가 있습니다. 힘, 사지 길이, 수명 및 뇌 크기와 같은 많은 주요 특성은 동물의 크기에 따라 증가하는 경향이 있지만 최대 달리기 속도는 중간 크기의 동물에서 가장 큰 경향이 있습니다.

그 이유를 알아보기 위해 Imperial, Harvard University, The University of Queensland 및 The University of the Sunshine Coast를 포함한 국제 연구팀은 보편적인 동물 모터인 근육이 육상 동물의 최고 달리기 속도에 제한을 두는 방법에 대한 물리적 모델을 개발했습니다.

주저자인 Imperial College London 생명공학과의 David Labonte 박사는 다음과 같이 말했습니다. “가장 빠른 동물은 큰 코끼리나 작은 개미가 아니라 치타와 같은 중간 크기입니다. 달리기 속도가 대부분의 다른 측면을 지배하는 규칙적인 패턴과 어긋나는 이유는 무엇입니까? 동물 해부학과 퍼포먼스?”

그들의 연구 결과는 이전에 생각했던 것처럼 최대 달리기 속도에는 한 가지 제한이 아니라 두 가지, 즉 근육이 수축하는 속도와 거리라는 두 가지 제한이 있음을 시사합니다. 동물이 도달할 수 있는 최대 속도는 먼저 도달한 한계에 따라 결정되며, 그 한계는 동물의 크기에 따라 결정됩니다.

공동 저자인 선샤인 코스트 대학과 퀸즈랜드 대학의 크리스토퍼 클레멘테 교수는 다음과 같이 말했습니다: “우리 모델의 핵심은 최대 달리기 속도가 근육이 얼마나 빨리 수축하는지와 근육이 수축할 수 있는 정도에 따라 제한된다는 점을 이해하는 것입니다. 수축 중에 짧아집니다.

“치타 크기의 동물은 이 두 가지 한계가 일치하는 약 50kg의 물리적 최적점에 존재합니다. 결과적으로 이 동물은 시속 최대 65마일의 속도에 도달할 정도로 가장 빠릅니다.”

결과는 다음과 같이 출판됩니다. 네이처커뮤니케이션즈.

한계 테스트

‘운동 에너지 용량 한계’라고 불리는 첫 번째 한계는 작은 동물의 근육이 얼마나 빨리 수축할 수 있는지에 따라 제한된다는 것을 의미합니다. 작은 동물은 체중에 비해 큰 힘을 생성하기 때문에 작은 동물이 달리는 것은 내리막길에서 낮은 기어로 가속하려고 하는 것과 약간 비슷합니다.

‘작업 능력 한계’라고 불리는 두 번째 한계는 더 큰 동물의 근육이 근육이 얼마나 수축할 수 있는지에 따라 제한된다는 것을 의미합니다. 큰 동물은 더 무겁기 때문에 근육은 체중에 비해 더 적은 힘을 생성하며, 달리기는 높은 기어로 언덕을 올라갈 때 가속하려고 하는 것과 더 유사합니다.

공동 저자인 하버드 대학의 피터 비숍(Peter Bishop) 박사는 “코뿔소나 코끼리와 같은 대형 동물의 경우 달리기는 엄청난 무게를 들어올리는 것처럼 느껴질 수 있습니다. 왜냐하면 근육이 상대적으로 약하고 중력이 더 큰 비용을 요구하기 때문입니다. 두 가지 모두의 결과로 동물은 결국 크기가 커지면 속도를 줄여야 합니다.”

모델의 정확성을 테스트하기 위해 팀은 대형 포유류, 새, 도마뱀부터 작은 거미와 곤충에 이르기까지 400종 이상의 육상 동물 속도 및 크기에 대한 데이터와 예측을 비교했습니다.

이 모델은 작은 0.1밀리그램 진드기부터 6톤 무게의 코끼리까지 체중이 10배 이상 차이가 나는 동물의 신체 크기에 따라 최대 달리기 속도가 어떻게 달라지는지 정확하게 예측했습니다.

그들의 발견은 근육이 어떻게 진화했는지에 대한 물리적 원리를 밝히고 최고의 동물 달리기 선수의 운동능력에 맞는 로봇의 미래 설계에 정보를 제공할 수 있습니다.

동물이 얼마나 빨리 달릴 수 있는지 설명하는 것 외에도, 새로운 모델은 동물 그룹 간의 차이를 이해하는 데 중요한 단서를 제공할 수도 있습니다. 도마뱀이나 악어와 같은 대형 파충류는 일반적으로 대형 포유류보다 작고 느립니다.

공동 저자인 퀸즈랜드 대학교의 Taylor Dick 박사는 다음과 같이 말했습니다. “이에 대한 한 가지 가능한 설명은 사지 근육이 파충류 신체의 체중 비율보다 더 작은 비율을 차지한다는 것입니다. 즉, 파충류가 더 작은 체중에서도 작업 한계에 도달했다는 의미일 수 있습니다. , 따라서 빠르게 움직이려면 작은 규모를 유지해야 합니다.”

현대 종의 데이터와 결합된 이 모델은 무게가 40톤이 넘는 육상 동물도 움직일 수 없을 것이라고 예측했습니다. 오늘날 살아있는 가장 무거운 육상 포유류는 약 6.6톤에 달하는 아프리카 코끼리입니다. 그러나 파타고티탄과 같은 일부 육상 공룡은 무게가 40톤을 훨씬 넘는 것으로 추정됩니다.

연구자들은 이것이 우리가 멸종되지 않은 동물에 대한 데이터로부터 멸종된 동물의 근육 해부학을 추정하는 데 주의해야 한다는 것을 의미한다고 말합니다. 대신, 그들은 데이터가 멸종된 거인들이 더 많은 연구가 필요한 독특한 근육 해부학을 진화했을 수 있음을 시사한다고 제안합니다.

이 연구는 거대한 공룡이 어떻게 움직일 수 있었는지에 대한 질문뿐만 아니라 파충류나 거미와 같은 특정 동물 그룹에 대한 보다 표적화된 데이터 수집이 필요한 질문을 제기합니다.

이번 연구에서는 육지 동물만을 대상으로 했지만, 연구진은 다음으로 이 방법을 날고 수영하는 동물에 적용할 예정입니다.

Labonte 박사는 다음과 같이 말했습니다: “우리의 연구는 인간 운동선수를 포함하여 멸종된 동물과 오늘날 살아있는 동물의 근육 생리학에 대해 많은 흥미로운 질문을 제기합니다. 신체적 제약은 달리는 동물만큼 수영하고 날아다니는 동물에도 영향을 미치며 이러한 한계를 여는 것은 다음 일정은요.”

이 연구는 유럽 연합의 Horizon 2020 연구 및 혁신 프로그램에 따라 호주 연구 위원회, 인간 프론티어 과학 프로그램, 유럽 연구 위원회(ERC)의 자금 지원을 받았습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2024/03/240312133325.htm