Мало кто удивится, услышав, что самым быстрым животным на суше является гепард, который может разогнаться от 0 до 80 километров в час всего за три шага и вскоре после этого достичь ошеломляющей максимальной скорости в 110 км/час. При прохождении 25 метров в секунду между обнаружением гепарда и попаданием в его объятия проходит несколько драгоценных моментов.
Хотя в гонке под волнами нет бесспорного победителя, самыми быстрыми морскими существами являются марлины, группа рыб с плавниками-парусниками, которые ценятся глубоководными рыбаками, и чья ловкость и свирепость были увековечены в произведениях Эрнеста Хемингуэя «Старик и море». Марлины используют свою скорость, чтобы поймать добычу, собирая стаи рыб со скоростью до 110 км/час и вонзая свои саблезубые челюсти в захваченные массы. Их скорость особенно впечатляет, учитывая, что вода в 1000 раз плотнее воздуха.
Среди летающих животных, которые в шесть раз быстрее земных, обладателем титула является сокол-сапсан с измеренной максимальной скоростью 300 км/час (результат головокружительного пикирования вниз). Что касается горизонтальных скоростей, самой быстрой птицей являются стрижи, и способны разгоняться до 169 км/час в горизонтальном полете (хотя это рекорд, который требует проверки). Обычному голубю тоже не на что жаловаться, ведь он разгоняется до 148 км/час.
Быстро и медленно сокращающиеся мышечные волокна
В то время как самые быстрые организмы в мире зависят от ряда характеристик, чтобы достичь своей невероятной максимальной скорости, наиболее важным из них являются мышцы, в частности, мышечные волокна, известные как «быстро сокращающиеся» волокна.
Мы используем быстро сокращающиеся мышечные волокна, когда бежим и прыгаем – в основном, любое внезапное, вызывающее действие. Самые быстрые животные обладают невероятно быстро сокращающимися мышцами. По сравнению с медленно сокращающимися мышечными волокнами (используемыми в упражнениях на выносливость, таких как бег трусцой), быстросокращающиеся мышечные волокна не требуют кислорода для работы. Слишком жесткие, чтобы использовать воздух, как остальные наши клетки, быстро сокращающиеся мышцы работают анаэробно, быстро сжигая запасы аденозинтрифосфата или АТФ (топлива организма), чтобы произвести короткие приливы силы.
Умеренность во всем
Хотя более тяжелые животные ускоряются медленнее, теоретически они должны быть способны развивать более высокие максимальные скорости, поскольку содержат больше того самого материала, который генерирует ускорение: быстро сокращающиеся мышцы.
Однако, похоже, универсальным явлением является то, что самые быстрые животные на планете Земля все среднего размера – например, борзая, вилорог, лошадь. Это явление давно известно науке, но только в 2017 году мы получили удовлетворительное объяснение.
Общий закон масштабирования Хирта
В своей статье 2017 года Мириам Хирт и ее коллеги сравнили массу тела и максимальную скорость 474 видов животных, летающих в небе, плавающих в море и обитающих на суше – от муравьев и дроф до осьминогов и летучих мышей – и в конечном итоге обнаружили эту очень знакомую закономерность: чем тяжелее животное, тем быстрее оно движется ... но только до такой степени, после которой максимальная скорость падает.
Чем крупнее животное, тем больше потенциал для ускорения и выше максимальная скорость. Возникает вопрос: почему мы не видим животных размером со слона, бегающих так же быстро, как борзые? Причина, по словам авторов, в доступности энергии: АТФ, который питает быстро сокращающиеся мышечные волокна.
Исследователи предполагают, что ускоряющееся животное с мышечной массой слона столкнется с нехваткой АТФ задолго до того, как оно сможет достичь своего полного ускорения, что приведет к снижению его потенциальной максимальной скорости. С такой нехваткой не сталкиваются более мелкие животные, которые ускоряются быстрее и достигают полной мощности своих быстро сокращающихся мышц (своей максимальной скорости) за более короткое время.
Маленькие животные ограничены недостаточным количеством мускулов (и крошечной длиной шага, т. е. они покрывают меньше земли с каждым шагом), крупные животные – недостатком энергии. Размер тела, при котором обе проблемы сведены к минимуму – это то место, где мы находим наших спидстеров, таких как гепард, вилорог и борзая.
Закон масштабирования предсказывает максимальную скорость животных в зависимости от их веса с такой точностью, что его можно использовать для предсказания скорости доисторических животных. Здорового спринтера, который развивает скорость около 32 км/час, опередит 1,4-тонный аллозавр, способный бежать со скоростью 34 км/час, а еще быстрее – велоцираптор, разогнавшийся до 24 км/час.)
Коэффициент заполнения, объем и другие ограничения
Модель Хирта, согласно которой мышечная усталость определяет максимальную скорость – лишь одна из многих других, которые сами по себе вряд ли могут объяснить разнообразие скорости животных.
Экстремальная скорость часто развивается, чтобы не быть съеденным. Если требование не быть съеденным может быть выполнено любым другим признаком, скорость можно свободно поменять местами. Например, черепаха, похоже, сменила скорость на панцирь, импала – на технику уклонения, и поэтому, возможно, слоны и самые крупные животные поменяли скорость на размер, тогда как крупных животных просто труднее есть.
Еще один важный фактор – это «коэффициент нагрузки», время, в течение которого каждая ступня соприкасается с землей во время шага. Во время передвижения каждый шаг должен вызывать достаточную нисходящую силу, чтобы продвинуть животное вперед и поддержать массу его тела; эта сила может быть передана только во время шага, когда ступня касается земли. Бремя такой большой силы не требует усилий, когда вы идете медленно, и ответственность может быть распределена между неторопливыми шагами. Но когда вы начинаете бегать, ваши ноги все меньше и меньше касаются земли, и к тому времени, когда вы бежите, они проводят больше времени в воздухе, чем на земле.
Представьте скачущего слона. Невероятное бремя массы и ускорения животного нужно было переносить на каждом мимолетном шаге. Скорее всего, его ноги не смогли бы создать или выдержать такую громадную тяжесть. Это может объяснить, почему слоны имеют такой высокий коэффициент нагрузки, распределяя нагрузку своего веса на ступни, которые чаще всего находятся на земле, и почему они физиологически неспособны прыгать и даже с меньшей вероятностью бегают, как борзые.