不太大也不太小，你的尺寸刚刚好

摘要：陆地上最快的动物是猎豹，最高时速可达104千米。在水中游得最快的动物是黄鳍金枪鱼和刺鲅，时速分别为75千米和77千米。在空中，最快的水平飞行（不包括俯冲）纪录由白喉针尾雨燕保持，其时速超过了112千米。

△ 来源：Pixabay‍

陆地上最快的动物是猎豹，最高时速可达104千米。在水中游得最快的动物是黄鳍金枪鱼和刺鲅，时速分别为75千米和77千米。在空中，最快的水平飞行（不包括俯冲）纪录由白喉针尾雨燕保持，其时速超过了112千米。

这些速度快的动物有什么共同点呢？ 它们在各自所属的动物类群中，体型既不算特别大，也不算特别小。事实上，它们都属于中等体型。

这其中的原因仍然是个谜。随着动物体重增加，它们的一些生物学特征也会随之变化。例如，通常来说，动物腿的长度也会随着体重增加而逐渐增长。但显然， 腿长并不是决定速度的关键 ，因为最大的陆地动物（例如大象）并不是速度最快的。

△ 来源：Pixabay

但是，我和我的同事们已经朝着解开这个谜团迈出了关键一步。我们通过使用一种可伸缩的虚拟人体模型，探索了四肢和肌肉的运动，找出限制速度的因素，并从人类形态数百万年的演化中获得了重要见解。

从小鼠一般到如同巨人

自21世纪初以来，科学家一直 在构建一个名为OpenSim的虚拟人体模型 ，该模型免费开放，涵盖人体所有的骨骼、肌肉和肌腱。这个模型已经被用于多项科学研究，以帮助理解人体运动，探索运动科学，以及模拟手术对软组织的影响。

2019年，来自比利时的一个研究团队更进一步，利用 OpenSim构建了一个基于物理的仿真模型。不同于告诉模型如何运动，他们让模型以特定速度向前移动，然后让模型计算出想要按照规定的速度行走或奔跑，需要激活哪些肌肉组合。

不过如果我们将这个模型缩小至老鼠大小，或者放大到大象的大小，会发生什么？这样，我们就能观察到哪些模型可以奔跑，以及它们能有多快。这正是我的团队所做的研究，这项研究已于去年10月发表于《自然·通讯》

（ Nature Communications ）。我们以标准的人体模型（体重为75千克）为基础，制作了越来越小的模型，最小的体重只有100克；同时我们制作了越来越大的模型，一直到2000千克，并让它们挑战以尽可能快的速度奔跑。

恰到好处的重量‍

当我们利用这些模型进行实验时，发生了一些有趣的事情。首先，2000千克和1000千克的模型完全无法移动。事实上， 能移动的最大模型是900千克 ，这表明人类的形态存在质量上限。若超过这个大小，我们需要改变身体形态才能移动。

△ 来源：Pixabay

我们还发现， 速度最快的模型并不是体型最大或最小的，而是体重大约为47千克的 ，与一只普通猎豹的体重相仿。重要的是，我们可以深入分析内部机制，找出其中的原因。

用于解释最快奔跑速度与质量关系的曲线，与解释最大地面推力与质量关系的曲线形状相同。这其实很合理，因为 要想跑得更快，就需要更用力地推动地面。 那么，为什么更大的模型无法向地面施加更大的推力呢？研究显示，更大的模型似乎受到了肌肉的限制。 肌肉发力主要取决于其横截面积 。随着动物体型的增大，它们肌肉的质量增长速度会比横截面积变大的速度更快。

这意味着大型动物的肌肉相对更弱。而当它们超过肌肉能承受的最大速度后，肌肉的力量会达到极限，进而不得不减速。在另一端，较小模型的肌肉相对会更强壮，但在重力方面存在问题：它们太轻了， 当它们试图用力推动地面时，只会让身体过早地离开地面 。

为了增加对地面的推力， 这些小型人体模型会蜷缩四肢 ，就像老鼠或猫一样。这种姿势可以让它们在地面上停留更久，从而产生更大的推力，就像人在做立定跳远时会先蹲下一样。不过这个过程需要额外的时间，而推力产生得越慢，步频就会越低，最终它们也无法跑得更快。

在这个过程中，地面推力与步频之间会持续处于一种权衡关系，直至你达到一个中等大小的体型，此时重量恰到好处。

人类可以更快吗？

这些发现对人类演化意味着什么呢？纵观历史，现代人类与已经灭绝的人类物种（统称为“古人类”）的体型差异极大。生活在大约350万年前的南方古猿阿法种（ Australopithecus afarensis ），体重只有约30千克，而近200万年前的直立人（ Homo erectus ）则约80千克。