حیواناتی با جثه‌ی متوسط معمولا در بخش دوی المپیک بهترین عملکرد را دارند و اکنون، به لطف مدل جدیدی از عملکرد عضلانی می‌توانیم علت این مسئله را دریابیم.
بزرگی جثه‌ی حیوانات در بسیاری از شاخص‌های مهم، نکته‌ی مثبت به حساب می‌آید. حشرات ممکن است بتوانند با توجه به اندازه‌ی کوچک خودشان وزنه‌های شگفت‌انگیزی را بلند کنند، اما بزرگ‌ترین حیوانات مطلقاً قوی‌تر هستند و معمولاً عمر طولانی‌تری دارند. در واقع، بسیاری از معیارهای عملکردی حیوانات را می‌توان از روی اندازه‌ی جثه‌ی آن‌ها و با استفاده از یک توزیع توانی ساده، پیش‌بینی کرد.
با این حال، وقتی صحبت از سرعت به میان می‌آید، یوزپلنگ‌ها می‌توانند از حیواناتی با جثه‌ی بسیار بزرگ‌تر از خودشان جلو بزنند و در صدر جدول قرار بگیرند. این امر خلاف قاعده، به‌قدری برای جانورشناسان شگفت‌آور بوده که الهام‌بخش بسیاری از مطالعات شده است.
دکتر دیوید لابونت از امپریال کالج لندن در بیانیه‌ای می‌پرسد: «چرا سرعت دویدن به وسیله‌ی الگوهای منظمی که بر بیشتر جنبه‌های دیگر آناتومی و عملکرد حیوانات حاکم است، می‌شکند؟» لابونت برای پاسخ به این سؤال، در مطالعه‌ی جدیدی نشان می‌دهد که چرا حیوانات خشک‌زی مانند یوزپلنگ با جثه‌ی متوسط، سریع‌ترین حیوانات زمین هستند. او می‌گوید به جای یک عامل که قبلاً تصور می‌شد، دو عامل محدود‌کننده برای سرعت دویدن وجود دارد.
لابونت و همکارانش با بررسی روش انقباض ماهیچه‌ها، یک مدل فیزیکی ساختند که سرعت دویدن حیوان را پیش‌بینی می‌کند. آن‌ها مدل را از طریق مقایسه‌ی دیگر پیش‌بینی‌ها از اندازه‌گیری‌هایی که محققان تا به حال از حدود ۴۰۰ گونه جمع‌آوری کرده‌اند، صحت‌سنجی کردند. گونه‌های اندازه‌گیری شده از حشراتی با وزن ده‌هزارم گرم تا بزرگ‌ترین پستانداران را شامل می‌شد.
پروفسور کریستوفر کلمنت، یکی از نویسندگان مطالعه از دانشگاه سان‌شاین کوست توضیح می‌دهد:
نکته‌ی کلیدی در مدل ما درک این موضوع است که حداکثر سرعت دویدن، با هر دو مورد سرعت انقباض عضلات و میزان کوتاه‌شدن آن‌ها در طول یک انقباض، محدود می‌شود. حیواناتی به اندازه‌ی یوزپلنگ در یک نقطه بهینه‌ی فیزیکی با وزن حدود ۵۰ کیلوگرم قرار دارند، نقطه‌ای که این دو حد بر هم منطبق می‌شود. در نتیجه، این حیوانات سریع‌ترین هستند و سرعت دویدن آن‌ها به ۱۰۵ کیلومتر در ساعت می‌رسد.
حیواناتی با جثه‌ی یوزپلنگ در یک نقطه بهینه‌ی فیزیکی قرار دارند
حیوانات کوچک‌تر با اولین محدودیتی که کلمنت به آن اشاره کرد، از بزرگ‌ترها عقب می‌مانند: ماهیچه‌های حیوانات کوچک‌تر نمی‌تواند با سرعت همتایان جثه متوسط آن‌ها منقبض شود. نیروهای ایجاد‌شده توسط انقباض عضلانی نسبت به وزن این حیوانات زیاد است و به خوبی می‌تواند بر نیروهای متقابل (مانند دویدن در سربالایی) غلبه کند، اما حداکثر میزان سرعت را نیز محدود می‌کند.
حیوانات بزرگ نیز با «محدودیت نیروی کاری» مواجه می‌شوند. آن‌ها نمی‌توانند نیروهایی تولید کنند که برای شتاب‌دهی به توده‌های بزرگشان در سرعت‌های بالا، کافی باشد. دکتر پیتر بیشاپ از دانشگاه هاروارد توضیح می‌دهد:
دویدن برای حیوانات بزرگی مانند کرگدن یا فیل، ممکن است مانند بلند‌کردن یک وزنه‌ی عظیم باشد؛ زیرا ماهیچه‌های آن‌ها نسبتاً ضعیف‌تر است و گرانش هزینه‌ی بیشتری را می‌طلبد. در نتیجه‌ی این دو، هرچه حیوانات بزرگ‌تر باشند، سرعت آن‌ها نیز بیشتر کاهش می‌یابد.
نویسندگان مطالعه این وضعیت را با عدد رینولدز در دینامیک سیالات مقایسه می‌کنند. این عدد نسبت نیروی لختی به نیروی گران‌روی است. یعنی تمایل جریان به داشتن الگویی آرام (گران‌روی) در مقیاس‌های کوچک و جریان در حالت آشفته (لختی) در مقیاس‌های بزرگ‌تر غالب است.
یوزپلنگ‌ها ممکن است جثه‌ی مناسبی برای رسیدن به حداکثر سرعت داشته باشند، اما دلایل دیگری نیز برای پرچمداری این حیوانات وجود دارد. اگر مستندهای حیوانات در ساواناهای آفریقایی را دیده باشید، متوجه می‌شوید یکی از عوامل این است که یوزپلنگ‌ها عضلاتشان را به سرعت منقبض می‌کنند و به جای قهرمانان دوی استقامتی، به قهرمانان دوی سرعت تبدیل می‌شوند.
همچنین، یوزپلنگ‌ها از رقابت با برخی موجودات با اندازه‌ی جثه‌ی مشابه خودشان نیز در امان هستند. خزندگان بزرگی مانند تمساح‌ها نمی‌توانند با سرعت همتایان پستاندار خود رقابت کنند. سازندگان مجموعه پارک‌های ژوراسیک احتمالاً این قبیل حقیقت‌های علمی را نادیده می‌گیرند، اما نویسندگان مطالعه مشتاق هستند که دلیل آن را بیابند، اگرچه تاکنون به پاسخ همه‌ی سؤالات دست نیافته‌اند.
دکتر تیلور دیک از دانشگاه کوئینزلند می‌گوید: «یک توضیح احتمالی برای این حقیقت، ممکن است این باشد که بر حسب وزن، درصد کمتری از بدن خزندگان از ماهیچه‌ی اندام زیرین تشکیل شده است. بدین معنی که آن‌ها در وزن کمتری به محدودیت کاری می‌رسند و بنابراین، برای حرکت سریع‌تر باید کوچک‌تر باشند.» با این حال، سؤال اصلی دوباره یک قدم به عقب بازمی‌گردد. با توجه به مزایای بی‌شمار سرعت، چرا ماهیچه‌های اندام خزندگان بزرگ برای رقابت با پستانداران تکامل نیافته است؟
اگرچه مدل محققان این مطالعه در تطبیق ظرفیت‌های سرعت گونه‌های زنده بسیار عالی عمل می‌کند، اما در انتهای مقیاس بزرگ‌تر با مشکلاتی مواجه می‌شود و پیش‌بینی می‌کند که حرکت حیوانات خشک‌زی با وزنی بیش از ۴۰ تن غیرممکن است. ما می‌دانیم که این موضوع حقیقت ندارد، زیرا تیتاناسورها نیز روی زمین زندگی می‌کردند و بزرگ‌ترین تیتاناسورها حدود ۷۰ تن وزن داشتند. نویسندگان مطالعه گمان می‌کنند که در مقایسه با موجودات زنده، باید تفاوتی در ساختار ماهیچه‌ای بزرگ‌ترین دایناسورها وجود داشته باشد. اما آن‌ها نمی‌دانند که تفاوت در چه چیزی بوده است.
یافته‌های مطالعه در مجله Nature Communications منتشر شده است.
دیدگاهتان را بنویسید