Tại sao vận động viên điền kinh Olympic cũng không thể chạy nhanh hơn một con mèo nhà?

Những vận động viên chạy nước rút nhanh nhất hành tinh đã cùng nhau xuất hiện tại Thế vận hội Tokyo để tranh huy chương vàng ở nội dung chạy 100 mét. Lamont Marcell Jacobs đã vượt qua vạch đích sau 9,80 giây để mang về cho nước Ý chiếc huy chương vàng đầu tiên trong sự kiện này. Trong cuộc đua dành cho nữ, Jamaica đã giành tất cả huy chương vàng, bạc và đồng. Đó là một pha "quét sạch" do vận động viên Elaine Thompson-Herah dẫn đầu, người đã phá kỷ lục Olympic dành cho nữ ở tuổi 33, với thời gian 10,61 giây.

Nhưng, không ai trong số họ có thể chạm vào di sản của người Jamaica từng 8 lần đoạt huy chương vàng Olympic Usain Bolt, người đã giải nghệ vào năm 2017 nhưng vẫn tự hào về danh hiệu người chạy nhanh nhất còn sống trên thế giới. Bolt chạy 100 mét trong 9,58 giây. Tốc độ tối đa vào khoảng 43,45 km/h. Nhưng, con số đó chỉ ngang bằng tốc độ tối đa của một con mèo nhà. Đúng vậy, một con mèo, như bao con mèo khác, trong nhà bạn. Còn nếu trong cuộc chạy đua với báo săn gê-pa và linh dương sừng nhánh pronghorn, những loài động vật nhanh nhất thế giới, Bolt sẽ chẳng có một chút cơ hội chiến thắng nào.

Bạn có thể nghĩ rằng một con vật có thể di chuyển nhanh như thế nào sẽ phải phụ thuộc vào kích thước cơ bắp của nó, cơ bắp càng nhiều thì tốc độ càng nhanh. Mặc dù điều đó đúng ở một mức độ nhất định, nhưng một con voi sẽ không bao giờ chạy nhanh hơn một con linh dương.

Vậy, điều gì thực sự quyết định tốc độ tối đa của một sinh vật?

Gần đây, một nhóm các nhà khoa học dẫn đầu bởi nhà cơ khí sinh học Michael Günther, trong nghiên cứu liên kết với Đại học Stuttgart, đã thiết lập một mô hình mới để xác định các quy luật tự nhiên chi phối tốc độ chạy tối đa trong vương quốc động vật. Trong một nghiên cứu mới được công bố vào tuần trước trên Tạp chí Sinh học Lý thuyết, họ đã đưa ra một mô hình phức tạp về kích thước, chiều dài chân, mật độ cơ... để khám phá xem yếu tố thiết kế cơ thể nào là quan trọng nhất trong việc tối ưu hóa tốc độ.

Nghiên cứu này cung cấp một cái nhìn sâu sắc về sự tiến hóa sinh học của chân và dáng đi tương ứng của động vật. Và điều đó có thể được sử dụng bởi các nhà sinh thái học, để hiểu các hạn chế về tốc độ di chuyển của động vật, thứ ảnh hưởng trực tiếp tới dân số, việc lựa chọn môi trường sống và động lực cộng đồng ở các loài khác nhau. Đối với các nhà chế tạo rô bốt và kỹ sư y sinh, việc tìm hiểu về cấu trúc cơ thể để tối ưu tốc độ có thể cải thiện hơn nữa các thiết kế của máy đi bộ hai chân và chân tay giả.

"Đó là việc hiểu lý do của sự tiến hóa, tại sao và cách nó hình thành cơ thể", Günther nói về mục tiêu của dự án. "Nếu bạn hỏi câu hỏi này một cách máy móc, thì bạn thực sự có thể hiểu thêm về cách thiết kế cơ thể được định hình bởi các yêu cầu tiến hóa, chẳng hạn như muốn nhanh hơn."

Các nghiên cứu trước đây trong lĩnh vực này về cơ bản đãphát hiện ra rằng chìa khóa của tốc độ liên quan đến sự trao đổi chất của động vật, quá trình cơ thể chuyển hóa chất dinh dưỡng thành nhiên liệu, một lượng hữu hạn trong số đó được lưu trữ trong các sợi cơ để sử dụng khi chạy nước rút. Nhóm nghiên cứu của Myriam Hirt thuộc Trung tâm Nghiên cứu Đa dạng Sinh học Tích hợp của Đức đã phát hiện ra rằng những động vật lớn sẽ hết dạng nhiên liệu này nhanh hơn những động vật nhỏ hơn, vì chúng mất nhiều thời gian hơn để tăng tốc cơ thể nặng hơn của mình. Điều này được gọi là mỏi cơ. Nó giải thích tại sao, về mặt lý thuyết, một con người có thể chạy nhanh hơn một con khủng long bạo chúa.

Nhưng, Günther và các đồng nghiệp của ông đã hoài nghi điều này.

"Tôi nghĩ chúng ta có thể đưa ra một lời giải thích khác," ông nói, một lời giải thích chỉ sử dụng các nguyên tắc vật lý cổ điển để giải thích các hạn chế về tốc độ. Vì vậy, nhóm nghiên cứu đã xây dựng một mô hình cơ sinh học bao gồm hơn 40 thông số khác nhau liên quan đến thiết kế cơ thể, hình dạng của đường chạy và sự cân bằng của các lực cạnh tranh tác động lên cơ thể.

"Ý tưởng cơ bản là có hai điều giới hạn tốc độ tối đa. Đầu tiên là lực cản của không khí, hoặc lực cản, lực đối lập tác động lên mỗi chân khi nó cố gắng đẩy cơ thể về phía trước. Vì tác động của lực cản không tăng theo khối lượng, nên đó là yếu tố chi phối tốc độ giới hạn ở động vật nhỏ hơn", Robert Rockenfeller, một nhà toán học tại Đại học Koblenz-Landau đồng tác giả nghiên cứu, cho biết. "Nếu bạn nặng vô cùng, bạn sẽ chạy nhanh vô cùng, theo lực cản của không khí".

Nhưng thuộc tính thứ hai, thứ tăng lên cùng với khối lượng, được gọi là quán tính, cản trở của một đối tượng tăng tốc từ trạng thái nghỉ ngơi. Rockenfeller cho biết, khi chạy, có một giới hạn thời gian để một con vật có thể tăng tốc khối lượng của chính nó. Đó là khoảng thời gian giữa lúc bàn chân đặt bằng phẳng trên mặt đất và khi bàn chân rời khỏi mặt đất. Điều này đặc biệt hạn chế đối với những động vật lớn hơn - với khối lượng cơ thể nhiều hơn cần đẩy về phía trước - khó có thể vượt qua quán tính. Vì vậy, các cá thể nhỏ hơn có lợi thế ở đây.

Theo kết quả của nhóm nghiên cứu, điểm "ngọt ngào nhất" để vượt qua lực cản không khí và quán tính nằm ở khoảng 49,89 kg. Không phải ngẫu nhiên, đó là trọng lượng trung bình của cả báo gê-pa và linh dương pronghorn.

Nhóm của Günther cũng có thể dự đoán tốc độ tối đa theo lý thuyết cho các thiết kế cơ thể khác nhau ở mức 100 kg. Ví dụ, một con mèo nhà với kích thước này có thể chạy tới 74 km/h; một con nhện khổng lồ, nếu đôi chân của nó bằng cách nào đó có thể duy trì trọng lượng của nó, sẽ lao đi với tốc độ 56 km/h. Không có gì ngạc nhiên khi thiết kế cơ thể người trung bình đứng ở vị trí cuối cùng: Với 100 kg, chúng ta chỉ có thể đạt vận tốc tối đa khoảng 38,6 km/h.

Nhưng kích thước cơ thể không phải là yếu tố duy nhất phát huy tác dụng khi muốn tối đa hóa tốc độ. Trong mô hình của Günther, chiều dài chân cũng quan trọng. Động vật có chân dài hơn có thể đẩy cơ thể của chúng xa hơn về phía trước, trước khi chân phải rời khỏi mặt đất, kéo dài thời gian chúng phải tăng tốc từ khi chân chạm đất và lúc rời khỏi mặt đất

Về lý do tại sao động vật bốn chân có thể chạy nhanh hơn con người, Günther nói rằng điều này không phải vì chúng ta chỉ có hai chân, mà vì cơ thể của con người được đặt thẳng đứng và cảm nhận được toàn bộ lực hấp dẫn. Các sinh vật hai chân đã tiến hóa với cấu trúc cột sống cứng hơn nhiều, để ưu tiên sự cân bằng và ổn định hơn là tốc độ. Tuy nhiên, những loài động vật có thân song song với mặt đất đã tiến hóa với những chiếc xương sống linh hoạt hơn, nhằm tối ưu hóa cho việc tiếp xúc lâu giữa chân với đất.

Nhưng vấn đề mỏi cơ thì sao? "Nó không đóng vai trò gì cả", Günther nói.

Một phần trong phân tích của nhóm kết luận rằng bất kỳ loài động vật nào cũng có thể tăng tốc lên ít nhất 90% tốc độ tối đa, trước khi hết cái gọi là "nhiên liệu".

Carl Cloyed, một nhà sinh thái học tại Phòng thí nghiệm Biển Đảo Dauphin của bang Alabama, người nghiên cứu sự chuyển động của động vật, cho rằng từ quan điểm tiến hóa, một lời giải thích cơ sinh học có ý nghĩa hơn việc cơ bắp hết nhiên liệu.

"Tôi hy vọng các sinh vật đã thích nghi để vượt qua điều đó," ông nói, nhưng cũng thừa nhận rằng nó sẽ đòi hỏi nhiều nghiên cứu thử nghiệm hơn để hỗ trợ mô hình mới.

Günther và Rockenfeller đồng ý rằng các thí nghiệm là cần thiết để xác minh kết luận của họ và họ cảm thấy rằng mình đã trình bày một mô hình toàn diện để các nhà nghiên cứu khác thử nghiệm trong tương lai. Nhưng tất cả các nhà khoa học cũng lưu ý rằng làm như vậy sẽ là một thách thức. Theo Cloyed, điều đó nó sẽ yêu cầu việc bắt động vật và quan sát chúng trong phòng thí nghiệm, hoặc sử dụng video chất lượng cao quay cảnh chúng chạy nước rút để phân tích cơ sinh học trong chuyển động của chúng. Cách chính xác nhất để nghiên cứu hành vi chạy ở động vật là cấy các cảm biến cơ học vào bên trong cơ bắp của chúng và theo dõi chúng khi chúng di chuyển trong môi trường tự nhiên. Nhưng điều này đặt ra những thách thức rõ ràng về hậu cần và cả những lo ngại về đạo đức, theo Günther.

Ông Cloyed cũng mong muốn xem các phân tích này sẽ được mở rộng như thế nào, đặc biệt là đối với các chế độ di chuyển khác như bay và bơi. Ông nói: "Nếu lời giải thích này đúng, thì nó cũng sẽ đúng cả trong các môi trường khác."

Vậy liệu có ai có thể đánh bại kỷ lục của Usain Bolt? Chắc chắn là có thể, nhưng sẽ không thể chạy nhanh hơn kỷ lúc đó quá nhiều. Cơ sinh học của việc chạy nước rút cho thấy rằng chúng ta đang tiến gần đến giới hạn có thể xảy ra đối với cơ thể con người. Và khi ai đó trở thành người nhanh nhất hành tinh mới, họ sẽ chỉ có thể giữ danh hiệu đó chỉ trong giới hạn loài người. Trong vương quốc động vật, chúng ta chẳng hề có gì đặc biệt.

Tham khảo Wired