Warum moderne Menschen die ideale Größe für Geschwindigkeit haben

Das schnellste Tier an Land ist der Gepard, der Höchstgeschwindigkeiten von erreichen kann 104 Kilometer pro Stunde. Im Wasser sind die schnellsten Tiere Gelbflossenthun und Wahoo Geschwindigkeiten erreichen können von 75 bzw. 77 km/h. In der Luft geht der Titel des schnellsten Horizontalfluges (ohne Sturzflug) an den Weißkehlsegler mehr als 112 km pro Stunde.

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

Der Grund dafür ist ein wenig rätselhaft. Mit zunehmender Masse der Tiere verändern sich auch mehrere biologische Merkmale. 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 getan. Durch die Verwendung von a skalierbares, virtuelles Modell des menschlichen Körperskonnten wir die Bewegung der Gliedmaßen und Muskeln erforschen, herausfinden, was die Geschwindigkeit begrenzt, und wichtige Einblicke in die Entwicklung der menschlichen Form über Jahrtausende hinweg gewinnen. Die Ergebnisse sind veröffentlicht im Tagebuch Naturkommunikation.

Vom mausgroßen Menschen zum Riesen

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

Dieses Modell wurde verwendet in verschiedene wissenschaftliche Studien zum Verständnis der menschlichen Bewegung, zur Erforschung der Bewegungswissenschaft und zur Modellierung der Auswirkungen von Operationen auf Weichteile.

Im Jahr 2019 ging eine Gruppe belgischer Forscher noch einen Schritt weiter und hat eine physikbasierte Simulation erstellt mit OpenSim. Anstatt dem Modell zu sagen, wie es sich bewegen soll, forderten sie es auf, sich mit einer bestimmten Geschwindigkeit vorwärts zu bewegen. Das Modell fand dann heraus, welche Muskelkombinationen aktiviert werden mussten, damit es mit der vorgeschriebenen Geschwindigkeit gehen oder rennen konnte.

Aber was wäre, wenn wir noch weiter gehen und das Modell auf die Größe einer Maus verkleinern würden? Oder was wäre, wenn wir das Modell auf die Größe eines Elefanten skalieren würden? Dann konnten wir sehen, welche Modelle laufen konnten – und wie schnell.

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

Die Masse genau richtig hinbekommen

Dabei passierten mehrere faszinierende Dinge.

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

Wir haben auch festgestellt, dass das schnellste Modell weder das größte noch das kleinste war. Stattdessen wog es etwa 47 kg, ein ähnliches Gewicht wie ein durchschnittlicher Gepard. Entscheidend war, dass wir unter die Haube schauen und herausfinden konnten, warum das so war.

Die Kurve, die die Form der maximalen Laufgeschwindigkeit in Abhängigkeit von der Masse erklärt, hat die gleiche Form wie die Kurve, die die maximale Bodenkraft in Abhängigkeit von der Masse erklärt. Das macht Sinn: Um schneller voranzukommen, muss man sich stärker vom Boden abstoßen.

Warum konnten sich größere Modelle also nicht stärker vom Boden abstoßen? Es schien, dass die größeren Modelle durch ihre Muskeln eingeschränkt waren.

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

Dies bedeutet, dass die Muskeln größerer Tiere relativ schwächer sind. Oberhalb der Höchstgeschwindigkeit beginnen die Muskeln ihre maximale Leistung zu erbringen – und so muss das Modell langsamer werden.

Am anderen Ende des Spektrums verfügen die Miniaturmodelle über relativ stärkere Muskeln, haben aber ein Problem mit der Schwerkraft. Sie sind einfach zu leicht. Sie versuchen, auf den Boden zu drücken, um eine große Kraft zu erzeugen, aber das führt dazu, dass ihr Körper den Boden früher 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 das braucht Zeit. Und je länger Sie brauchen, um Kraft zu erzeugen, desto langsamer werden Ihre Schritte und Sie werden immer noch nicht schneller laufen.

Es beginnt also ein Kompromiss zwischen Bodenkraft und Schrittfrequenz und endet erst, wenn Sie die mittlere Größe erreicht haben, bei der Ihre Masse genau richtig ist.

So schnell wie möglich

Was könnte das alles über die menschliche Evolution sagen?

Wir wissen im Laufe der Geschichte, dass sich die Größe moderner Menschen und ausgestorbener menschlicher Spezies – einer kollektiven Gruppe, die als „Homininen“ bekannt ist – erheblich verändert hat, vom etwa 30 kg schweren Australopithecus afarensis, der vor etwa 3,5 Millionen Jahren existierte, bis zum etwa 80 kg schweren Homo erectus von fast Vor 2 Millionen Jahren.

Generell hat also die Körpermasse tendenziell zugenommen – und vermutlich auch 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 für ihre geringe Größe etwas an Geschwindigkeit opfern.

Die durchschnittliche Körpermasse Der Körper eines modernen erwachsenen Menschen wiegt etwa 62 kg – etwas schwerer als das in unserer Modellierung ermittelte Spitzengewicht von 47 kg, aber immer noch nahe an der 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 nur sein werden – ohne große Veränderungen an unserer Muskelform.

Dieser Artikel wurde erneut veröffentlicht von Das Gespräch unter einer Creative Commons-Lizenz. Lesen Sie die Originalartikel.