「動物の最大速度を計算できるモデル」チーターが100Km/h以上で走れる理由

研究者は、あらゆるサイズの動物の最大走速度を計算できるモデルを開発しました。
それによると、「ロード・オブ・ザ・リング」に登場する巨大なクモ、シェロブの最大速度は時速60kmに達します。

An interdisciplinary team including researchers at the University of Cologne’s Institute of Zoology has now developed a model that takes these characteristics into account and can calculate the maximum running speeds for animals of any size.

参照元：https://portal.uni-koeln.de/en/universitaet/aktuell/press-releases/single-news/animals-are-better-sprinters
– ケルン大学 University of Cologne. 07/23/2021 –

4本足の哺乳類の多くは、2本足の人間よりもかなり高い走行速度を出せます。

チーターやアンテロープなど、疾走に完全に適応した動物は、細身の体型、長い脚、特に可動性の高い背骨を特徴としており、走るときに非常に高い速度を達成することができます。

このたび、ケルン大学動物学研究所の研究者を含む学際的なチームは、これらの特徴を考慮して、あらゆるサイズの動物の最大走速度を計算できるモデルを開発しました。

この研究成果は、「Rules of nature’s Formula Run」という論文に掲載されています。

「Muscle mechanics during late stance is the key to explaining maximum running speed」と題して、Journal of Theoretical Biology誌に掲載されました。

東京オリンピックが間近に迫っていますが、その中でも注目されるのが男子100mスプリントです。

トップスプリンターの走速度は時速45km近くに達します。

しかし、動物界のスプリント能力と比較すると、そうではありません。それは飼い猫の最高速度とほぼ同じです。

チーターはその2倍以上の速さ（時速100km以上）で走ることができますが、アンテロープ（時速90km）やイボイノシシやウサギ（時速60km弱）などの動物は、人間のスプリンターよりも速いでしょう。

ミヒャエル・ギュンター博士（シュトゥットガルト大学）率いる研究チームは、これらの動物の最高速度が物理的・生物学的にどのような要因で決まるのかを調査しました。

その過程で、研究者たちは、ボディデザインの重要性について、次のような疑問に対する包括的な答えを導き出しました。

• なぜ自然の最高速度は中型の動物によって達成されるのか
• どのような主な特性が最大走行速度を決定するのか
• どのような特性が速度の限界を設定するのか

彼らの理論的研究の核心は、推進力となる脚力と克服すべき空気抵抗の物理的なバランス、および推進力となる筋肉の慣性です。

彼らは、高速の脚駆動運動に適応するために、動物の体の構造的形状を体格の関数として変化させる（アロメトリー）ための、一種の主要経路を示しています。

ケルン大学動物学研究所のTom Weihmann博士は話します。

「この主経路は、高い走行速度を得るために、生物の形状が体格の関数としてどのように変化しなければならないか、また、特定の形状が達成できる最大速度にどのように影響するかを説明しています。」

典型的な例は、ネズミとゾウです。

象の大きさのマウスは、自重で骨が折れてしまうため、単純に生存できません。

一方、ゾウは体重の割に骨が太くて重く、足も長くてまっすぐです。

これらの特徴が、動物の巨大なサイズを可能にしています。

しかし、骨が重く、足がまっすぐであるために、ゾウの足ははるかに長いのに、最高速度はチーターよりもずっと低いです。

しかし、最高速度は大きさだけではなく、脚の数や背骨の可動性などの構造にも左右されます。

例えば、4本足の哺乳類の多くは、体幹の筋肉を推進力としてギャロップすることができるため、人間や鳥のような2足歩行の動物よりもはるかに高い走行速度を得ることができます。

しかし、体重が重くなりすぎると、筋肉が大きくても最高速度で収縮するのに時間がかかるため、より強力な筋肉を使っても効果がありません。

「これは、地球上で最も速いスプリンターであるチーターやプロングホーンの平均的な体重にかなり近いものです」とWeihmann氏は説明します。

このモデルは、空想上の生き物にも適用できる。例えば、J.R.R.トールキンの「ロード・オブ・ザ・リング」に登場する巨大なクモ、シェロブの最高速度は時速60kmほどになるそうです。

また、人体の形状を考慮すると、スポーツ界のトップスプリンターは、すでに最適な速度に非常に近い状態にあることがわかります。

特殊なランニングシューズや外骨格のような技術的な応用、長さを調節するレバーや追加の弾性を提供することを除けば、より長い脚やより弾性のある腱だけが、さらに高い速度を可能にします。