دانشمندان «پارادوکس سرعت جانوران» را حل کردند

فرادید| وقتی به سریع‌ترین جانوران روی زمین فکر می‌کنیم، به نظر می‌رسد اندازه باید عامل تعیین‌کننده‌ای باشد. با این حال، یوزپلنگ با وزنی حدود ۵۰ کیلوگرم به‌راحتی از مورچه‌های بسیار کوچک و حتی فیل‌های عظیم‌الجثه پیشی می‌گیرد و به سرعتی حدود ۶۵ مایل در ساعت می‌رسد. این پارادوکس سال‌ها ذهن دانشمندان را به خود مشغول کرده بود. 

به گزارش فرادید، پژوهشگرانی از کالج امپریال لندن، دانشگاه هاروارد، دانشگاه کوئینزلند و دانشگاه سان‌شاین تلاش کردند بفهمند چه چیزی سرعت دویدن را در سراسر قلمرو جانوران محدود می‌کند. یافته‌های آن‌ها نشان می‌دهد عملکرد عضلات، دو مرز متمایز ایجاد می‌کند که تعیین می‌کنند یک جانور تا چه اندازه می‌تواند سریع بدود. 

پارادوکس سرعت

بیشتر ویژگی‌های فیزیکی در جانوران به اندازه قابل‌پیش‌بینی با اندازه آن‌ها مقایسه می‌شوند. قدرت، طول اندام‌ها، طول عمر و اندازه مغز همواره با بزرگ‌تر شدن جانور افزایش می‌یابد. با این حال، سرعت دویدن کاملاً این الگو را بر هم می‌زند. 

سریع‌ترین دوندگان نه بزرگ‌ترین جانوران و نه کوچک‌ترین آن‌ها هستند، بلکه جانورانی با اندازه متوسط مانند یوزپلنگ، در یک نقطه بهینه فیزیکی قرار دارند که به آن‌ها اجازه می‌دهد به بیشینه سرعت دست یابند. 

دو محدودیت حیاتی

محدودیت نخست بر جانوران کوچک‌تر اثر می‌گذارد و به سرعت انقباض عضلات آن‌ها مربوط است. به این محدودیت «حد ظرفیت انرژی جنبشی» گفته می‌شود. جانوران کوچک نسبت به وزن خود نیروهای بزرگی تولید می‌کنند، طوری‌که دویدن برای آن‌ها شبیه تلاش برای شتاب گرفتن در دنده سبک هنگام دوچرخه‌سواری در سراشیبی است. 

محدودیت دوم بر جانوران بزرگ‌تر اثر می‌گذارد و به میزان کوتاه شدن عضلات در هر انقباض مربوط می‌شود که به آن «حد ظرفیت کار» گفته می‌شود. برای جانوران بزرگی مانند فیل‌ها و کرگدن‌ها، دویدن مستلزم تلاش عضلانی فوق‌العاده است. عضلات آن‌ها در قیاس با وزن بدنشان کمابیش ضعیف‌ترند، بنابراین هر گام مانند بلند کردن وزنه‌ای عظیم احساس می‌شود. 

مزیت نقطه‌ی بهینه

تیم پژوهشی از داده‌های بیش از ۴۰۰ گونه، از کوچک تا بزرگ، استفاده کرد تا ببیند مدل آن‌ها تا چه حد کارآمد است. این مدل توانست سرعت دویدن را در سراسر قلمروی جانوران به‌دقت پیش‌بینی کند و نشان داد چرا جانوران با اندازه متوسط برتری دارند. 

در حدود وزن ۵۰ کیلوگرم، جانورانی مانند یوزپلنگ در یک نقطه‌ی بهینه فیزیکی قرار می‌گیرند که در آن هر دو محدودیت عضلانی، هم‌زمان بر هم منطبق می‌شوند. این وضعیت به آن‌ها اجازه می‌دهد به بیشینه سرعت دست یابند. هیچ‌یک از این محدودیت‌ها بیش از دیگری آن‌ها را مقید نمی‌کند و شرایطی ایده‌آل برای سرعت ایجاد می‌شود. 

پیامدها برای خزندگان

افزون بر این، این مطالعه که در نشریه Nature Communications منتشر شده، روشن می‌کند چرا خزندگان تمایل دارند کوچک‌تر و کندتر از پستانداران بزرگ باشند. عضلات اندامی در خزندگان درصد کمتری از وزن کل بدن آن‌ها را تشکیل می‌دهد. این موضوع سبب می‌شود آن‌ها در اندازه‌های کوچک‌تر به «حد ظرفیت کار» برسند. 

خزندگان بزرگی مانند تمساح‌ها و مارمولک‌ها نمی‌توانند به سرعت دویدنِ پستانداران بزرگی با اندازه مشابه برسند. این تفاوت به ساختار عضلانی آن‌ها و نحوه توزیع توده عضلانی در بدنشان بازمی‌گردد. 

کاربردها و پژوهش‌های آینده

این یافته‌ها پرسش‌هایی را درباره غول‌های منقرض‌شده‌ای مانند پاتاگوتیتان مطرح می‌کند که وزنی بیش از ۴۰ تُن داشت. مدل پیش‌بینی می‌کند جانوران خشکی‌زی با وزن بیش از ۴۰ تُن قادر به حرکت نخواهند بود. با این حال، برخی دایناسورهای پاتاگونیایی احتمالاً از این وزن نیز فراتر می‌رفتند. 

پژوهشگران پیشنهاد می‌کنند این غول‌های منقرض‌شده ممکن است ساختارهای عضلانی منحصربه‌فردی تکامل داده باشند که نیازمند بررسی‌های بیشتر است. درک این محدودیت‌های فیزیکی می‌تواند به مهندسان نیز کمک کند ربات‌هایی طراحی کنند که چابک‌ترین دوندگان طبیعت را شبیه‌سازی کنند. 

این پژوهش پیامدهایی فرای شناخت موجودات کنونی زمین دارد. این کار چارچوبی برای بازسازی شیوه حرکت گونه‌های منقرض‌شده و طراحی رباتیک زیست‌تقلیدی فراهم می‌کند. اصول حاکم بر محدودیت‌های عضلانی می‌تواند در حوزه‌هایی از طراحی اندام‌های مصنوعی گرفته تا وسایل نقلیه خودران کاربرد داشته باشد.

مترجم: زهرا ذوالقدر