在这世界上，虽然每一个人的身高体重都各不相同，但总归还是有个范围限制，所谓“再胖胖不成大象，再小小不过蚂蚁”。那么我们不禁要问，人类的体型为什么不太大也不太小，偏偏就这么高、这么重？在体型各异的动物世界里，人类的体型尺寸，究竟“合理”在哪里？
自然界中动物的体型千差万别，从小小的老鼠到庞大的大象，这种多样性让科学家很难找出一个统一的规律，也很难比较孰优孰劣。另一方面，现代人类和已灭绝的“古人类”的体型也不尽相同，比如三百多万年前的南方古猿体重大约为30公斤，而两百万年前的直立猿人大约为80公斤重。
既然动物世界里大大小小的个头儿都能存在，人类演化历史上个头也并非一直未变，那么现代人类的体型为什么会是今天这个样子？其合理性究竟体现在什么地方呢？
之前有研究表明，动物的奔跑速度和耐力可能是物种演化过程中的一个重要影响因素。因此，科学家们猜测，人类演化过程中体型的变化可能对我们的运动能力，尤其是跑步能力有着重要的影响。而我们如今不大不小的体型，或许正是最“完美”的运动个头儿。
还有一个值得注意的现象：在自然界诸多动物中，跑得最快的动物，既不是个头最大的，也不是个头最小的，往往是那些中等体型的类型。比如最快的陆地动物是猎豹，最高时速可达104公里；水中最快的动物是黄鳍金枪鱼和乌贼，它们的速度分别可达75公里/小时和77公里/小时。
为了揭开其中的谜团，来自澳大利亚昆士兰大学的科学团队通过计算机模拟，来尝试探索人类速度、体型和生物力学之间的复杂关系，以及这些因素如何塑造了现代人类的体型。相关研究结果发表在近期的《自然通讯》杂志上。
一般来说，随着动物体型的增大，它们的一些生物学特征及机能也会变化。比如，腿长的动物跑得快，但这又不绝对，并非腿特别长就能跑得特别快。
为了找到不同体型对于人体运动的影响和两者之间的联系，研究团队使用了一个包括所有骨骼、肌肉和肌腱的虚拟人体模型。这是一种基于物理原理的肌肉骨骼模拟技术，它不再依赖现实的实验数据，而是能够根据肌肉骨骼系统的基本物理原理，来模拟和预测各种虚拟的运动模式。这种虚拟人体模型尤其是对于研究体型差异很大的动物群体特别有用，因为现实中很难找到体型跨度这么大的动物群体来进行比较。
在这项研究中，研究团队探究了人类体型在从0.1公斤到2000公斤的范围内变化时，人体四肢的运动、肌肉力量以及能量消耗，对于最大运动速度的影响。或者直白点说，将人类缩小到小鼠那样小，或者放大到大象那样大时，人类还能跑多快。
为此，他们创建了一系列从0.1公斤到2000公斤的人类肌肉骨骼系统三维计算机模型，并且调整了每个模型中的肌肉骨骼属性，以符合几何相似性的原则。然后，研究团队在这些模型中模拟了不同步态速度下的行走和奔跑状态，并观察在0.1公斤到2000公斤体型范围内，人体的最大速度和运动能耗如何变化。
有趣的事情发生了。
首先，按照人类当前的身体形态，当“胖”到2000公斤时，将完全无法“动弹”，1000公斤也不行。实际上，以双足步态移动的人类能够承受的最大体型上限可能是900公斤。如果超过了这个体重，人类可能就需要改变双足直立行走的结构才能动起来。
其次，研究人员发现，随着体型的增大，运动能耗（即移动一定距离所需的能量）会降低。这意味着，体型越大的动物，单位体重下移动相同距离所需的能量越少。
那么，为什么体型很大的动物反而可能跑不快呢？模拟实验的结果显示，这可能是因为它们的肌肉力量不足。对于大型动物来说，它们的肌肉需要产生更大的力量来支撑它们的体重，但肌肉的横截面积增长速度跟不上体重的增长，从而导致它们的肌肉相对较弱。
那体型很小的动物为什么也可能跑不快呢？实际上，对于小型动物来说，尽管肌肉力量相对较强，但它们太轻了，当它们试图用较大的力量蹬地时，这只会让它们的身体更早地离开地面，有点像汽车轮胎的“打滑”。
这也是为什么对于较大体型动物，往往更多采取直立的运动姿势，而在较小体型的动物中，需要通过蹲伏的姿势（就像老鼠或猫蹲伏在地面那样）来增加推力，并以增加与地面的接触。但蹲伏姿势又会减慢它们的步伐，从而影响速度。
因此，在大体型和小体型之间，就存在一个中等体型，这个恰到好处的体型，能够很好地权衡肌肉力量和地面反作用力之间的冲突。
研究结果也表明，的确存在一个最优的体型，使得动物能够拥有最快的奔跑速度。在这个最优体型下，动物能够在保持肌肉力量和地面反作用力之间找到最佳平衡。
为了找到人类最优体型，研究人员在0.1公斤到900公斤范围内设计了30个不同的模型，以进一步测试速度与体型的关系。结果发现，人类最大奔跑速度和体型之间存在一个曲线关系。其中60公斤的模型跑得最快，稳定奔跑的速度能达到6.3米/秒。再通过统计拟合所有体型的数据，研究人员估计出最能提高速度的最优体型所对应体重大约是47公斤。这个模拟实验的结果和自然界中四足动物中发现的最优速度体型的体重（比如猎豹的最优速度体重）也十分接近。
图：四足哺乳动物和不同人类模拟体型与速度之间的关系，显示中等体型的动物（如猎豹）通常是最快的丨来源：Nature Communications
正如前面所说，350万年前的南方古猿体重大约为30公斤，200万年前的直立猿人体重大约80公斤，而30万年前的纳莱迪人体重约37公斤，5万年前的弗洛勒斯人体重约27公斤，现代成年人类的平均体重则约为62公斤。体型或许在某种程度上，也影响了人类的远古祖先及近亲的演化命运。
现在成年人类的体型虽然比研究模型发现的47公斤最优体型稍重，但仍然接近理想值。有趣的是，现在人类中的许多优秀长跑运动员（如肯尼亚男子马拉松运动员埃鲁德·基普乔格）体重恰好约为50公斤。
因此，根据这项新研究，科学家们认为人类现在的速度是我们所能达到的最快（除非人类的肌肉和形态发生大的改变）速度，而现代人类的体型则又可能是我们能达到最大奔跑速度的最优体型。
研究人员也表示，他们的发现不仅揭示了人类体型、速度和能量消耗之间的复杂关系，而且指出了为何某种中等体型的动物能够达到最快的速度。这一研究成果不仅对运动科学和生物力学领域具有重要意义，也为理解我们自身的演化历程提供了新的线索，包括可能会帮助我们更好地理解人类如何适应不同的环境和生活方式，以及如何通过改变训练和运动策略来提高运动速度。
参考资料
[1] Christofer J. Clemente et al, Predictive musculoskeletal simulations reveal the mechanistic link between speed, posture and energetics among extant mammals, _Nature Communications_ (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-52924-z
关注公众号了解更多
会员申请 请在公众号内回复“个人会员”或“单位会员
欢迎关注中国指挥与控制学会媒体矩阵
CICC官方抖音
CICC头条号
CICC微博号
CICC官方网站
CICC官方微信公众号
《指挥与控制学报》官网
国际无人系统大会官网
中国指挥控制大会官网
全国兵棋推演大赛
全国空中智能博弈大赛
搜狐号
一点号
