Warum moderne Menschen die perfekte Größe für Geschwindigkeit haben

Das schnellste Tier der Erde ist der Gepard, der eine Höchstgeschwindigkeit von 104 Kilometern pro Stunde erreichen kann. Die schnellsten Tiere im Wasser sind der Gelbflossenthun und der Wahoo, die Geschwindigkeiten von 75 bzw. 77 km/h erreichen können. In der Luft geht der Titel für den schnellsten Horizontalflug (ohne Sturzflug) an den Weißkehlsegler mit mehr als 112 km/h.

Was haben all diese schnellen Kreaturen gemeinsam? Keiner von ihnen ist besonders groß, noch sind sie besonders klein für die Tiergruppe, die sie repräsentieren. Tatsächlich sind sie alle mittelgroß.

Der Grund dafür ist etwas mysteriös. Mit zunehmender Tiermasse verändern sich auch einige biologische Eigenschaften. Beispielsweise nimmt die Beinlänge im Allgemeinen stetig zu. Aber lange Beine sind offensichtlich nicht die Lösung, da die größten Landtiere wie Elefanten nicht die schnellsten sind.

Aber meine Kollegen und ich haben einen entscheidenden Schritt zur Lösung dieses Rätsels gemacht. Mithilfe eines sich weiterentwickelnden virtuellen Modells des menschlichen Körpers konnten wir die Bewegung von Gliedmaßen und Muskeln erforschen, herausfinden, was die Geschwindigkeit begrenzt, und wichtige Einblicke in die Entwicklung der menschlichen Form über Jahrtausende hinweg gewinnen. Die Ergebnisse werden in der Zeitschrift veröffentlicht Natürliche Kommunikation.

Vom mausgroßen Menschen zum Riesen

Seit Anfang der 2000er Jahre entwickeln Wissenschaftler OpenSim, ein frei verfügbares virtuelles Modell des menschlichen Körpers mit all seinen Knochen, Muskeln und Sehnen.

Dieses Modell wurde in verschiedenen wissenschaftlichen Studien verwendet, um menschliche Bewegungen zu verstehen, die Bewegungswissenschaft zu erforschen und die Auswirkungen von Operationen auf Weichgewebe zu modellieren.

Im Jahr 2019 ging eine Gruppe belgischer Forscher sogar noch weiter und erstellte eine physikbasierte Simulation mit OpenSim. Anstatt dem Modell zu sagen, wie es sich bewegen soll, forderten sie es auf, sich mit einer bestimmten Geschwindigkeit zu bewegen. Das Modell ermittelte dann, welche Muskelkombinationen aktiviert werden mussten, um mit der vorgeschriebenen Geschwindigkeit gehen oder rennen zu können.

Aber was wäre, wenn wir noch weiter gehen und das Modell auf die Größe einer Maus verkleinern würden? Was wäre, wenn wir das Modell auf die Größe eines Elefanten vergrößern würden? Wir konnten dann sehen, welche Modelle funktionieren könnten und wie schnell.

Genau das hat mein Team getan. Wir haben das Standard-Menschenmodell (75 kg) genommen und immer kleinere Modelle bis zu 100 Gramm hergestellt. Wir haben die Modelle auch größer gemacht, bis zu 2.000 kg, und sie herausgefordert, so schnell wie möglich zu laufen.

Erhalten Sie die perfekte Masse

Dabei passierten mehrere faszinierende Dinge.

Erstens konnte sich das 2.000-kg-Modell nicht bewegen. Das gilt auch nicht für das 1.000-kg-Modell. Tatsächlich wog das größte bewegungsfähige Modell 900 kg, was auf eine Obergrenze für die menschliche Form schließen lässt. Über diese Größe hinaus müssen wir unsere Form ändern, um uns bewegen zu können.

Wir haben außerdem festgestellt, dass das schnellste Modell weder das größte noch das kleinste war. Stattdessen wog es etwa 47 kg, ähnlich dem Gewicht eines durchschnittlichen Geparden. Vor allem konnten wir unter die Haube schauen und verstehen, warum das so war.

Die Kurve, die die Form der maximalen Laufgeschwindigkeit mit der Masse erklärt, hat die gleiche Form wie die Kurve, die die maximale Bodenkraft mit der Masse erklärt. Es macht Sinn: Um schneller zu fahren, muss man stärker auf den Boden drücken.

Warum konnten sich die größeren Modelle nicht stärker vom Boden abstoßen? Es schien, als wären die größeren Models durch ihre Muskeln eingeschränkt.

Die Fähigkeit eines Muskels, Kraft zu erzeugen, hängt von der Querschnittsfläche dieses Muskels ab. Und wenn Tiere größer werden, nimmt die Masse ihrer Muskeln schneller zu als ihre Querschnittsfläche.

Das bedeutet, dass die Muskulatur größerer Tiere relativ schwächer ist. Über der Höchstgeschwindigkeit beginnt die Muskulatur zu „maximieren“, sodass das Modell langsamer werden muss.

Am anderen Ende des Spektrums haben Miniaturmodelle relativ stärkere Muskeln, haben aber ein Schwerkraftproblem. Sie sind einfach zu leicht. Sie versuchen, sich vom Boden abzustoßen, um eine erhebliche Kraft zu erzeugen, was jedoch nur dazu führt, dass ihr Körper früher den Boden verlässt.

Um mehr Kraft auf den Boden auszuüben, beugen sie ihre Gliedmaßen, genau wie Mäuse oder Katzen. Dadurch bleiben sie länger am Boden und erzeugen so mehr Kraft, genau wie bei einem Sprung aus dem Stand. Aber es braucht Zeit. Und je länger Sie brauchen, um Kraft zu erzeugen, desto langsamer werden Ihre Schritte und Sie werden immer noch nicht schneller laufen.

Ein Kompromiss zwischen Bodenkraft und Schrittfrequenz beginnt also und endet erst, wenn Sie eine mittlere Größe erreichen, bei der Ihre Masse perfekt ist.

So schnell wir es bekommen

Was kann das alles über die menschliche Evolution sagen?

Wir wissen im Laufe der Geschichte, dass die Größe moderner Menschen und ausgestorbener menschlicher Spezies (eine kollektive Gruppe, die als Homininen bekannt ist) stark schwankte, vom etwa 30 kg schweren Australopithecus afarensis, der vor etwa 3,5 Millionen Jahren existierte, bis zum etwa 80 kg schweren Homo erectus vor fast 15 Jahren 3,5 Millionen Jahre. Vor 2 Millionen Jahren.

Im Allgemeinen nimmt die Körpermasse tendenziell zu, ebenso wie unsere Laufgeschwindigkeit. Homo naledi, der vor etwa 300.000 Jahren existierte und etwa 37 kg wog, und Homo floresiensis, der vor etwa 50.000 Jahren existierte und etwa 27 kg wog, mussten aufgrund ihrer geringen Größe etwas an Geschwindigkeit opfern.

Die durchschnittliche Körpermasse moderner erwachsener Menschen beträgt etwa 62 kg, etwas schwerer als das in unserer Modellierung ermittelte Maximalgewicht von 47 kg, aber immer noch nahe an dieser Idealgröße.

Interessanterweise wiegen viele unserer schnellsten Langstreckenläufer, wie Eliud Kipchoge, etwa 50 kg.

Basierend auf unserer neuen Forschung wissen wir nun, dass die Menschen von heute ungefähr so ​​schnell sind wie wir, ohne dass sich unsere Muskelfitness wesentlich verändert.

Dieser Artikel wurde von The Conversation unter einer Creative Commons-Lizenz erneut veröffentlicht. Lesen Sie den Originalartikel.