圖片來源：Pixabay
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陸地上最快的動物是獵豹，最高時速可達104千米。在水中游得最快的動物是黃鰭金槍魚和刺鮁，時速分別為75千米和77千米。在空中，最快的水平飛行（不包括俯衝）紀錄由白喉針尾雨燕保持，其時速超過了112千米。
這些速度快的動物有什麼共同點呢？它們在各自所屬的動物類群中，體型既不算特別大，也不算特別小。事實上，它們都屬於中等體型。
這其中的原因仍然是個謎。隨著動物體重增加，它們的一些生物學特徵也會隨之變化。例如，通常來說，動物腿的長度也會隨著體重增加而逐漸增長。但顯然，腿長並不是決定速度的關鍵，因為最大的陸地動物（例如大象）並不是速度最快的。
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但是，我和我的同事們已經朝著解開這個謎團邁出了關鍵一步。我們透過使用一種可伸縮的虛擬人體模型，探索了四肢和肌肉的運動，找出限制速度的因素，並從人類形態數百萬年的演化中獲得了重要見解。
自21世紀初以來，科學家一直在構建一個名為OpenSim的虛擬人體模型，該模型免費開放，涵蓋人體所有的骨骼、肌肉和肌腱。這個模型已經被用於多項科學研究，以幫助理解人體運動，探索運動科學，以及模擬手術對軟組織的影響。
2019年，來自比利時的一個研究團隊更進一步，利用 OpenSim構建了一個基於物理的模擬模型。不同於告訴模型如何運動，他們讓模型以特定速度向前移動，然後讓模型計算出想要按照規定的速度行走或奔跑，需要啟用哪些肌肉組合。
不過如果我們將這個模型縮小至老鼠大小，或者放大到大象的大小，會發生什麼？這樣，我們就能觀察到哪些模型可以奔跑，以及它們能有多快。這正是我的團隊所做的研究，這項研究已於去年10月發表於《自然·通訊》（Nature Communications）。我們以標準的人體模型（體重為75千克）為基礎，製作了越來越小的模型，最小的體重只有100克；同時我們製作了越來越大的模型，一直到2000千克，並讓它們挑戰以儘可能快的速度奔跑。
當我們利用這些模型進行實驗時，發生了一些有趣的事情。首先，2000千克和1000千克的模型完全無法移動。事實上，能移動的最大模型是900千克，這表明人類的形態存在質量上限。若超過這個大小，我們需要改變身體形態才能移動。
我們還發現，速度最快的模型並不是體型最大或最小的，而是體重大約為47千克，與一隻普通獵豹的體重相仿。重要的是，我們可以深入分析內部機制，找出其中的原因。
用於解釋最快奔跑速度與質量關係的曲線，與解釋最大地面推力與質量關係的曲線形狀相同。這其實很合理，因為要想跑得更快，就需要更用力地推動地面。那麼，為什麼更大的模型無法向地面施加更大的推力呢？研究顯示，更大的模型似乎受到了肌肉的限制。肌肉發力主要取決於其橫截面積。隨著動物體型的增大，它們肌肉的質量增長速度會比橫截面積變大的速度更快。
這意味著大型動物的肌肉相對更弱。而當它們超過肌肉能承受的最大速度後，肌肉的力量會達到極限，進而不得不減速。在另一端，較小模型的肌肉相對會更強壯，但在重力方面存在問題：它們太輕了，當它們試圖用力推動地面時，只會讓身體過早地離開地面。
為了增加對地面的推力，這些小型人體模型會蜷縮四肢，就像老鼠或貓一樣。這種姿勢可以讓它們在地面上停留更久，從而產生更大的推力，就像人在做立定跳遠時會先蹲下一樣。不過這個過程需要額外的時間，而推力產生得越慢，步頻就會越低，最終它們也無法跑得更快。
在這個過程中，地面推力與步頻之間會持續處於一種權衡關係，直至你達到一箇中等大小的體型，此時重量恰到好處。
這些發現對人類演化意味著什麼呢？縱觀歷史，現代人類與已經滅絕的人類物種（統稱為“古人類”）的體型差異極大。生活在大約350萬年前的南方古猿阿法種（Australopithecus afarensis），體重只有約30千克，而近200萬年前的直立人（Homo erectus）則約80千克。
總體來看，人類體重在演化的過程中逐漸增加，這也很可能意味著奔跑速度的提升。例如，納勒迪人（Homo naledi）（生活在約30萬年前，體重約37千克）和弗洛勒斯人（Homo floresiensis）（生活在約5萬年前，體重約27千克）的體型都較小，因此它們必然犧牲了一些奔跑速度。
現代成年人的平均體重大約62千克，比我們模型計算出的最快體重（47千克）略重，但仍然接近這個理想值。有趣的是，許多世界頂級長跑運動員，如埃魯德·基普喬格（Eliud Kipchoge）的體重大約50千克，與這個最佳體重十分接近。因此，根據我們的研究，現代人類的奔跑速度已經接近極限——除非我們的肌肉結構發生重大改變，否則不會再明顯變快。
參考連結：
https://theconversation.com/not-too-big-not-too-small-why-modern-humans-are-the-ideal-size-for-speed-241668
https://www.nature.com/articles/s41467-024-52924-z
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