Ученые из исследовательского центра биоразнообразия в Лейпциге (Германия) создали математическую модель, позволяющую предсказывать скорость животных на суше, в воде и в воздухе. Уравнение позволяет рассчитать максимальную скорость, которую способно развить животное, исходя только из его массы. Новая модель позволила наконец объяснить, почему самые большие животные — не самые быстрые. С выкладками можно ознакомиться в статье, опубликованной в Nature Ecology&Evolution.
Скорость передвижения животных является важной экологической характеристикой вида, объясняющей его взаимоотношения с хищниками или жертвами, партнерами, склонность к миграции. Наземные животные передвигаются, полагаясь только на свои мышцы, и при этом способны развивать очень большие скорости (рекордсмен среди млекопитающих, гепард способен разогнаться более чем до 100 километров в час). Простейшая модель зависимости скорости от силы предполагает, что чем больше животное, тем больше у него мышц, а значит, тем большую скорость оно способно развить.
Тем не менее, эта модель в определенный момент перестает работать — исходя из этой зависимости, слон должен бегать быстрее всех наземных животных, однако слоны более чем в два раза медленней гепардов.
Чтобы скорректировать зависимость силы от скорости, ученые разрабатывали более сложные модели, основываясь на биомеханике передвижения и морфологии отдельных животных. Новая модель немецких ученых по-прежнему базируется на зависимости скорости от количества мышц, однако учитывает особенность энергопотребления мускулатуры и время, необходимое для ускорения.
Бег на длинные дистанции требует эффективного использования ресурсов с участием кислорода, в то время как максимальная скорость достигается за счет использования мышцами доступного в данный момент запаса энергии в виде креатинфосфата. Однако если животное достаточно большое, ему требуется больше времени на разгон и доступной энергии на это время может просто не хватить. В результате, максимальная скорость оказывается ниже, чем могла бы, исходя из объема мышечной массы. Новая модель предсказывает, что зависимость скорости от массы до определенного значения является практически линейной, однако имеет критическую точку, после которой начинает загибаться, образуя горб.
Среда, в которой передвигается животное, также накладывает свои ограничения. Для суши, воды и воздуха авторы получили три разных зависимости, которые, тем не менее, укладываются в общую тенденцию. Изначально полученное уравнение было проверено на реальных данных об известных скоростях животных, принадлежащих к 474 видам, массой от 30 микрограммов до 100 тонн. Оказалось, что модель согласуется с реальностью в 90 процентах случаев, а значит, обладает хорошей предсказательной силой.
Пользуясь этим, авторы подсчитали скорость, с которой могли бы бегать вымершие животные, в частности, несколько видов динозавров. Оказалось, что тираннозавр, который весил около шести тонн, был довольно медлительным и мог бегать со скоростью 27 километров в час. Предыдущий вариант модели, учитывающей линейную зависимость силы от скорости, приписывал ящеру гораздо большие возможности — почти 130 километров в час. Предыдущая модель также утверждала, что трицератопс, который весил восемь тонн, убежал бы от тираннозавра. Однако по новым оценкам, максимальная скорость трицератопса составляла всего 24 километра в час.
Несмотря на хорошую предсказательную силу, новая модель имеет и выбросы, то есть данные, которые с ней не согласуются. Вероятно, в некоторых случаях скорость животных корректируется морфологическими особенностями, которые могли возникнуть, например, в результате совместной эволюции хищника и жертвы. Человек также плохо укладывается в эту модель. К примеру, скорость самого быстрого человека на Земле из ныне живущих, восьмикратного олимпийского чемпиона по бегу на короткие дистанции Усейна Болта, достигает 44 километра в час, притом что весит Болт, по данным с его официального сайта, всего в два раза больше среднего гепарда — 94 килограмма. По всей видимости, предки человека достаточно давно перестали полагаться на бег. Ранее мы писали, что для людей-бегунов математики разработали другую модель, способную предсказать, например, с какой скоростью Болт пробежит марафон.
Дарья Спасская