Всякий знает, что самый быстрый зверь на земле — это гепард. Сложнее ответить на вопрос, почему так. Максимальная скорость движения возрастает с увеличением массы тела, поэтому более крупные животные теоретически должны двигаться быстрее. Однако гепард уверенно обгоняет слона, а рыба-парусник (марлин) — крупного кита. Такая же закономерность наблюдается и в воздухе: птицы средних размеров — самые быстрые.
Это противоречие пытались объяснить многие исследователи. Некоторые полагают, что скорость бега крупных млекопитающих ограничена нагрузкой, которую могут выдержать их кости и мышцы при ударах о землю. Однако гипотезу, которая подходила бы для представителей всех таксономических групп, до сих пор никто не предлагал.
Теперь на выдвижение подобной гипотезы претендуют специалисты из Германии, Британии и США под руководством Ульриха Броза (Ulrich Brose), профессора Университета Фридриха Шиллера и Германского центра интегративных исследований в области биоразнообразия. Ученые предположили, что скорость животных ограничена не биомеханическими проблемами, а количеством доступной энергии [1].
Разгоняясь до максимальной скорости, животные используют быстрые мышечные волокна. Они отличаются большой силой, быстро сокращаются, но и быстро устают, потому что в качестве источника энергии используют запасенный в клетках АТФ. Эти запасы можно быстро извлечь, но когда они истощаются, волокна не могут работать. Им на смену приходят медленные мышцы, богатые миоглобином. Они используют АТФ, получаемый в процессе кислородного дыхания, поэтому работают дольше, но медленнее. С их помощью животное поддерживает скорость, до которой разогналось.
Итак, быстрые волокна могут работать очень недолго. Когда истекает критическое время, за которое иссякают запасы доступной энергии, животное достигает реальной максимальной скорости, которая может отличаться от теоретической.
Ученые создали модель, которая учитывает массу мышц и всего тела; время, необходимое для достижения максимальной скорости; и наличные запасы энергии (см. рис. 1). Чем больше мышечная масса, тем больше запасы АТФ и время, необходимое для ускорения. Согласно модели, более крупные животные за время разгона могут израсходовать весь АТФ и устанут, так и не достигнув теоретически возможного предела скорости.
а) животные ускоряются, стараясь достигнуть теоретически максимальной скорости;
b) время, необходимое для разгона, увеличивается с ростом массы тела;
с) если время, необходимое для разгона, больше критического, максимальная скорость недостижима;
d) зависимость максимальной реальной скорости от массы тела (Hirt et al., 2017)
Исследователи проверили свою модель на 474 видах бегающих, летающих и плавающих животных. В этот список вошли не только млекопитающие, рыбы и птицы, но и рептилии, моллюски и членистоногие — от клеща, весящего 30 мкг, до голубого кита массой 108 400 кг.
Кривая зависимости максимальной скорости от массы имеет форму горба. Сначала скорость растет, но когда вес животного превышает определенный порог, начинает снижаться. На вершине этого холма оказываются бегуны средних размеров — признанные чемпионы. Модель прекрасно подошла для бегающих и летающих животных, только летающие движутся примерно в шесть раз быстрее наземных.
Для плавающих закон выполняется не так жестко. Связано это с тем, что вода в 800 раз плотнее воздуха и в 60 раз более вязкая, поэтому в воде крупному животному существенно легче разогнаться, чем мелкому. Поэтому мелкие водные существа движутся медленнее, чем наземные такой же массы, а крупные — примерно с той же скоростью, что и их сухопутные собратья аналогичного веса. Поскольку многие физиологические процессы, такие как метаболизм, рост и питание, зависят от температуры тела, на максимальную скорость влияет и способ терморегуляции. Пойкилотермные (теплокровные) летающие и бегающие животные, которые поддерживают постоянную температуру, движутся быстрее, чем эктотермные (холоднокровные). У плавающих обратный эффект: млекопитающие и пингвины существенно отстают от рыб. Возможно, дело в том, что у водных животных слишком велики энергетические затраты на поддержание постоянной температуры тела.
Модель позволяет не только ответить на вопрос, почему самый большой не самый быстрый, но и рассчитать максимальную скорость бега вымерших животных. Например, Patagornis — хищная птица, жившая в миоцене на территории современной Аргентины, — бегала со скоростью около 62 км/ч, примерно как современный африканский страус.
А любимый всеми тираннозавр, весивший около шести тонн, мог разогнаться до 27 км/ч. Юркие двадцатикилограммовые велоцирапторы обогнали бы его прямо на старте, потому что бегали вдвое быстрее (55 км/ч). Эти результаты соответствуют сложившимся представлениям о том, что тираннозавр был довольно медлительным животным. А четвероногий брахиозавр, весивший более 78 тонн, двигался еще неспешнее: его предел — 12 км/ч.
Исследователи продолжат разработку своей модели. Она позволяет проследить направление эволюции некоторых видов. Так, если животное бегает быстрее, чем можно было ожидать, то это может свидетельствовать о давлении отбора, возникающего в результате совместной эволюции хищника и жертвы.
А еще было бы интересно рассчитать, как скорость движения животных влияет на сезонные миграции или расселение на новых территориях. Естественно, эта скорость существенно меньше максимальной. Однако от максимальной скорости может зависеть как средний размер участка, приходящегося на одну особь (и, стало быть, скорость расселения), так и расстояние, на которое она перемещается при миграции. Тем самым учет полученных данных поможет составить более полную картину влияния перемещений животных на экосистему.
Наталья Резник
Изображения из «Википедии»
1. Hirt M. R., Jetz, W., Rall, B. C., Brose U. A general scaling law reveals why the largest animals are not the fastest // Nat. Ecol. Evol. 2017. 1. 1116–1122. doi:10.1038/s41559-017-0241-4
Парусник и марлины — два разных рода рыб, хотя и одного семейства.
Методический дефект. Авторы задаются вопросом, почему тяжелые животные бегают не так быстро, как животные полегче. И сравнивают слона с гепардом. Тогда как им более уместно было бы сравнить обычного гепарда и большого, масштабированного гепарда же (пусть и несуществующего). Будет ли масштабированный гепард в единицу времени пробегать меньшее количество длин своего тела, чем действительный гепард? Авторы, видимо, считают, что, да, будет отставать. Вот, мол, слон быстрее истощает свою АТФ и не успевает разогнаться. А если бы не был таким немощным, так уж давно не листья бы жевал, а за газелями носился, как тот гепард. Зачем еще по скорости отбор происходит?
«Под руководством Ульриха Броза». Это бренд, важно знать. Остальные три автора просто мимо проходили, даже жалко на них буквы тратить. Бесят эти средневековые привычки, 21 век все же. Ну и да, слон не предназначен быстро бегать, поскольку ему вроде не зачем. Понятно, что авторы сами у себя не стали проблемы выискивать — карьеру надо делать, грантов нарубить, вот популярную статейку написали. За счет одних ученых сейчас цитированиями не разживешься, надо обывателей подключать. Хирш все стерпит. Но тот, кто перепечатал статью, мог бы задать этот вопрос.
Можно поставить вопрос и по-другому: почему гепард размером с гепарда, а не со слона, коль скоро отбор отбирает его на скорость.