L’animal le plus rapide sur terre est le guépard, capable d’atteindre des vitesses de pointe de 104 kilomètres par heure. Dans l’eau, les animaux les plus rapides sont l’albacore et le wahoo, qui peut atteindre des vitesses de 75 et 77 km/h respectivement. Dans les airs, le titre du vol en palier le plus rapide (hors plongée) revient au martinet à gorge blanche, à plus de 112 km/h.
Qu’ont en commun toutes ces créatures rapides ? Aucun d’entre eux n’est particulièrement grand, ni particulièrement petit pour le groupe d’animaux qu’ils représentent. En fait, ils sont tous de taille intermédiaire.
La raison en est un peu mystérieuse. À mesure que la masse des animaux augmente, plusieurs caractéristiques biologiques changent également. Par exemple, en général, la longueur des jambes augmente régulièrement. Mais de toute évidence, les longues jambes ne sont pas la solution, puisque les plus gros animaux terrestres, comme les éléphants, ne sont pas les plus rapides.
Mais mes collègues et moi avons franchi une étape clé vers la résolution de ce mystère. En utilisant un modèle virtuel et évolutif du corps humainnous avons pu explorer le mouvement des membres et des muscles, découvrir ce qui limite la vitesse et obtenir des informations importantes sur l’évolution de la forme humaine sur des milliers d’années. Les conclusions sont publié dans la revue Communications naturelles.
D’un humain de la taille d’une souris à un géant
Depuis le début des années 2000, les scientifiques construisent OuvrirSim—un modèle virtuel disponible gratuitement du corps humain, complet avec tous ses os, muscles et tendons.
Ce modèle a été utilisé dans divers scientifiques des études pour comprendre le mouvement humain, explorer la science de l’exercice et aider à modéliser les effets de la chirurgie sur les tissus mous.
En 2019, un groupe de chercheurs belges est allé encore plus loin et a construit une simulation basée sur la physique en utilisant OpenSim. Plutôt que de dire au modèle comment se déplacer, ils lui ont demandé d’avancer à une certaine vitesse. Le modèle a ensuite déterminé quelles combinaisons de muscles activer pour pouvoir marcher ou courir à la vitesse prescrite.
Mais et si nous allions encore plus loin et réduisions le modèle à la taille d’une souris ? Et si nous agrandissions le modèle jusqu’à la taille d’un éléphant ? Nous pourrions alors voir quels modèles pourraient fonctionner et à quelle vitesse.
Simulations prédictives pilotées par les muscles de modèles musculo-squelettiques de 5 kg, 50 kg et 500 kg se déplaçant à 2,25 mètres par seconde.
C’est exactement ce que mon équipe a fait. Nous avons pris le modèle humain standard (75 kg) et réalisé des modèles de plus en plus petits jusqu’à 100 grammes. Nous avons également agrandi les modèles, jusqu’à 2 000 kg, et les avons mis au défi de courir aussi vite qu’ils le pouvaient.
Obtenir la masse parfaite
Plusieurs choses fascinantes se sont produites lorsque nous avons fait cela.
Premièrement, le modèle de 2 000 kg ne pouvait pas bouger. Le modèle de 1 000 kg non plus. En fait, le plus gros modèle capable de se déplacer pesait 900 kg, ce qui suggère une limite supérieure à la forme humaine. Au-delà de cette taille, nous devons changer de forme pour pouvoir bouger.
Nous avons également constaté que le modèle le plus rapide n’était ni le plus grand ni le plus petit. Au lieu de cela, il pesait environ 47 kg, soit un poids similaire à celui d’un guépard moyen. Surtout, nous pourrions regarder sous le capot et comprendre pourquoi il en était ainsi.
La courbe qui explique la forme de la vitesse de course maximale avec la masse est la même forme que la courbe qui explique la force au sol maximale avec la masse. C’est logique : pour aller plus vite, il faut pousser plus fort sur le sol.
Alors pourquoi les modèles plus grands ne pourraient-ils pas pousser plus fort du sol ? Il semblait que les modèles plus grands étaient limités par leurs muscles.
La capacité d’un muscle à produire de la force dépend de la section transversale de ce muscle. Et à mesure que les animaux grandissent, la masse de leurs muscles grossit plus rapidement que leur surface transversale.
Cela signifie que les muscles des animaux plus gros sont relativement plus faibles. Les muscles commencent à « atteindre leur maximum » au-dessus de la vitesse maximale et le modèle doit donc ralentir.
À l’autre extrémité du spectre, les modèles miniatures ont des muscles relativement plus forts, mais ont un problème de gravité. Ils sont tout simplement trop légers. Ils essaient de pousser sur le sol pour produire une force importante, mais cela fait simplement que leur corps quitte le sol plus tôt.
Pour essayer de produire plus de force sur le sol, ils accroupissent leurs membres, tout comme le font les souris ou les chats. Cela leur permet de rester au sol plus longtemps et ainsi de produire plus de force, tout comme vous le feriez lors d’un saut debout. Mais cela prend du temps. Et plus vous mettez de temps à produire de la force, plus votre foulée sera lente et vous ne courrez toujours pas plus vite.
Ainsi, un compromis entre la force au sol et la fréquence de foulée commence et ne se termine que lorsque vous atteignez la taille intermédiaire, où votre masse est parfaite.
Aussi vite que nous l’obtiendrons
Que peut dire tout cela sur l’évolution humaine ?
Nous savons tout au long de l’histoire que la taille des humains modernes et des espèces humaines disparues (un groupe collectif connu sous le nom d’« hominidés ») a considérablement varié, depuis l’Australopithecus afarensis d’environ 30 kg qui existait il y a environ 3,5 millions d’années jusqu’à l’Homo erectus d’environ 80 kg datant de près de 3,5 millions d’années. Il y a 2 millions d’années.
De manière générale, la masse corporelle a tendance à augmenter, tout comme notre vitesse de course. Homo naledi, qui existait il y a environ 300 000 ans et pesait environ 37 kg, et Homo floresiensis, qui existait il y a environ 50 000 ans et pesait environ 27 kg, ont dû sacrifier un peu de vitesse à cause de leur petite taille.
La masse corporelle moyenne Le poids de l’humain adulte moderne est d’environ 62 kg, soit un peu plus lourd que le poids maximal de 47 kg trouvé par notre modélisation, mais toujours proche de cette taille idéale.
Il est intéressant de noter que bon nombre de nos coureurs de fond les plus rapides, comme Eliud Kipchoge, pèsent environ 50 kg.
Ainsi, sur la base de nos nouvelles recherches, nous savons maintenant que les humains d’aujourd’hui sont à peu près aussi rapides que nous le serons, sans changements majeurs dans notre forme musculaire.
Plus d’informations :
Christofer J. Clemente et al, Les simulations musculo-squelettiques prédictives révèlent le lien mécanistique entre la vitesse, la posture et l’énergétique chez les mammifères existants, Communications naturelles (2024). DOI : 10.1038/s41467-024-52924-z
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