وقتی به سریع ترین جانوران روی زمین فکر می کنیم، به نظر می رسد اندازه باید عامل تعیین کننده ای باشد. با این حال، یوزپلنگ با وزنی حدود 50 کیلوگرم به راحتی از مورچه های بسیار کوچک و حتی فیل های عظیم الجثه پیشی می گیرد و به سرعتی حدود 65 مایل در ساعت می رسد. این پارادوکس سال ها ذهن دانشمندان را به خود مشغول کرده بود.

پژوهشگرانی از کالج امپریال لندن، دانشگاه هاروارد، دانشگاه کویینزلند و دانشگاه سان شاین تلاش کردند بفهمند چه چیزی سرعت دویدن را در سراسر قلمرو جانوران محدود می کند. یافته های آن ها نشان می دهد عملکرد عضلات، دو مرز متمایز ایجاد می کند که تعیین می کنند یک جانور تا چه اندازه می تواند سریع بدود.

بیشتر ویژگی های فیزیکی در جانوران به اندازه قابل پیش بینی با اندازه آن ها مقایسه می شوند. قدرت، طول اندام ها، طول عمر و اندازه مغز همواره با بزرگ تر شدن جانور افزایش می یابد. با این حال، سرعت دویدن کاملاً این الگو را بر هم می زند.

محدودیت نخست بر جانوران کوچک تر اثر می گذارد و به سرعت انقباض عضلات آن ها مربوط است. به این محدودیت حد ظرفیت انرژی جنبشی گفته می شود. جانوران کوچک نسبت به وزن خود نیروهای بزرگی تولید می کنند، طوری که دویدن برای آن ها شبیه تلاش برای شتاب گرفتن در دنده سبک هنگام دوچرخه سواری در سراشیبی است.

تیم پژوهشی از داده های بیش از 400 گونه، از کوچک تا بزرگ، استفاده کرد تا ببیند مدل آن ها تا چه حد کارآمد است. این مدل توانست سرعت دویدن را در سراسر قلمروی جانوران به دقت پیش بینی کند و نشان داد چرا جانوران با اندازه متوسط برتری دارند.

در حدود وزن 50 کیلوگرم، جانورانی مانند یوزپلنگ در یک نقطه ی بهینه فیزیکی قرار می گیرند که در آن هر دو محدودیت عضلانی، هم زمان بر هم منطبق می شوند. این وضعیت به آن ها اجازه می دهد به بیشینه سرعت دست یابند. هیچ یک از این محدودیت ها بیش از دیگری آن ها را مقید نمی کند و شرایطی ایده آل برای سرعت ایجاد می شود.

افزون بر این، این مطالعه که در نشریه Nature Communications منتشر شده، روشن می کند چرا خزندگان تمایل دارند کوچک تر و کندتر از پستانداران بزرگ باشند. عضلات اندامی در خزندگان درصد کمتری از وزن کل بدن آن ها را تشکیل می دهد. این موضوع سبب می شود آن ها در اندازه های کوچک تر به حد ظرفیت کار برسند.

خزندگان بزرگی مانند تمساح ها و مارمولک ها نمی توانند به سرعت دویدنِ پستانداران بزرگی با اندازه مشابه برسند. این تفاوت به ساختار عضلانی آن ها و نحوه توزیع توده عضلانی در بدنشان بازمی گردد.

این یافته ها پرسش هایی را درباره غول های منقرض شده ای مانند پاتاگوتیتان مطرح می کند که وزنی بیش از 40 تُن داشت. مدل پیش بینی می کند جانوران خشکی زی با وزن بیش از 40 تُن قادر به حرکت نخواهند بود. با این حال، برخی دایناسورهای پاتاگونیایی احتمالاً از این وزن نیز فراتر می رفتند.

پژوهشگران پیشنهاد می کنند این غول های منقرض شده ممکن است ساختارهای عضلانی منحصربه فردی تکامل داده باشند که نیازمند بررسی های بیشتر است. درک این محدودیت های فیزیکی می تواند به مهندسان نیز کمک کند ربات هایی طراحی کنند که چابک ترین دوندگان طبیعت را شبیه سازی کنند.

این پژوهش پیامدهایی فرای شناخت موجودات کنونی زمین دارد. این کار چارچوبی برای بازسازی شیوه حرکت گونه های منقرض شده و طراحی رباتیک زیست تقلیدی فراهم می کند. اصول حاکم بر محدودیت های عضلانی می تواند در حوزه هایی از طراحی اندام های مصنوعی گرفته تا وسایل نقلیه خودران کاربرد داشته باشد.