不太大也不太小，人類的體型為何“剛剛好”

自然界中動(dòng)物的體型千差萬別，從小小的老鼠到龐大的大象，這種多樣性讓科學(xué)家很難找出一個(gè)統(tǒng)一的規(guī)律，也很難比較孰優(yōu)孰劣。另一方面，現(xiàn)代人類和已滅絕的“古人類”的體型也不盡相同，比如300多萬年前的南方古猿體重大約為30公斤，而200萬年前的直立猿人大約為80公斤重。

既然動(dòng)物世界里大大小小的個(gè)頭兒都能存在，人類演化歷史上個(gè)頭也并非一直未變，那么現(xiàn)代人類的體型為什么會(huì)是今天這個(gè)樣子？其合理性究竟體現(xiàn)在什么地方呢？

之前有研究表明，動(dòng)物的奔跑速度和耐力可能是物種演化過程中的一個(gè)重要影響因素。因此，科學(xué)家們猜測，人類演化過程中體型的變化可能對我們的運(yùn)動(dòng)能力，尤其是跑步能力有著重要的影響。而我們?nèi)缃癫淮蟛恍〉捏w型，或許正是最完美的運(yùn)動(dòng)個(gè)頭兒。

還有一個(gè)值得注意的現(xiàn)象：在自然界諸多動(dòng)物中，跑得最快的動(dòng)物，既不是個(gè)頭最大的，也不是個(gè)頭最小的，往往是那些中等體型的類型。比如最快的陸地動(dòng)物是獵豹，最高時(shí)速可達(dá)104公里；水中最快的動(dòng)物是黃鰭金槍魚和烏賊，它們的速度分別可達(dá)75公里/小時(shí)和77公里/小時(shí)。

這不僅僅是個(gè)有趣的觀察結(jié)果，實(shí)際上涉及動(dòng)物體型、運(yùn)動(dòng)方式和能量消耗之間的復(fù)雜關(guān)聯(lián)，也是解釋人類體型大小之謎的一個(gè)關(guān)鍵。

為了揭開其中的謎團(tuán)，來自澳大利亞昆士蘭大學(xué)的科學(xué)團(tuán)隊(duì)通過計(jì)算機(jī)模擬，來嘗試探索人類速度、體型和生物力學(xué)之間的復(fù)雜關(guān)系，以及這些因素如何塑造了現(xiàn)代人類的體型。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在近期的《自然·通訊》雜志上。

一般來說，隨著動(dòng)物體型的增大，它們的一些生物學(xué)特征及機(jī)能也會(huì)變化。比如，腿長的動(dòng)物跑得快，但這又不絕對，并非腿特別長就能跑得特別快。

為了找到不同體型對于人體運(yùn)動(dòng)的影響和兩者之間的聯(lián)系，研究團(tuán)隊(duì)使用了一個(gè)包括所有骨骼、肌肉和肌腱的虛擬人體模型。這是一種基于物理原理的肌肉骨骼模擬技術(shù)，它不再依賴現(xiàn)實(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，而是能夠根據(jù)肌肉骨骼系統(tǒng)的基本物理原理，來模擬和預(yù)測各種虛擬的運(yùn)動(dòng)模式。這種虛擬人體模型尤其是對于研究體型差異很大的動(dòng)物群體特別有用，因?yàn)楝F(xiàn)實(shí)中很難找到體型跨度這么大的動(dòng)物群體來進(jìn)行比較。

在這項(xiàng)研究中，研究團(tuán)隊(duì)探究了人類體型在從0.1公斤到2000公斤的范圍內(nèi)變化時(shí)，人體四肢的運(yùn)動(dòng)、肌肉力量以及能量消耗對于最大運(yùn)動(dòng)速度的影響。或者直白點(diǎn)說，將人類縮小到小鼠那樣小，或者放大到大象那樣大時(shí)，人類還能跑多快。

為此，他們創(chuàng)建了一系列從0.1公斤到2000公斤的人類肌肉骨骼系統(tǒng)三維計(jì)算機(jī)模型，并且調(diào)整了每個(gè)模型中的肌肉骨骼屬性，以符合幾何相似性的原則。然后，研究團(tuán)隊(duì)在這些模型中模擬了不同步態(tài)速度下的行走和奔跑狀態(tài)，并觀察在0.1公斤到2000公斤體型范圍內(nèi)，人體的最大速度和運(yùn)動(dòng)能耗如何變化。

有趣的事情發(fā)生了。

首先，按照人類當(dāng)前的身體形態(tài)，當(dāng)“胖”到2000公斤時(shí)，將完全無法“動(dòng)彈”，1000公斤也不行。實(shí)際上，以雙足步態(tài)移動(dòng)的人類能夠承受的最大體型上限可能是900公斤。如果超過了這個(gè)體重，人類可能就需要改變雙足直立行走的結(jié)構(gòu)才能動(dòng)起來。

其次，研究人員發(fā)現(xiàn)，隨著體型的增大，運(yùn)動(dòng)能耗（即移動(dòng)一定距離所需的能量）會(huì)降低。這意味著，體型越大的動(dòng)物，單位體重下移動(dòng)相同距離所需的能量越少。

那么，為什么體型很大的動(dòng)物反而可能跑不快呢？模擬實(shí)驗(yàn)的結(jié)果顯示，這可能是因?yàn)樗鼈兊募∪饬α坎蛔恪τ诖笮蛣?dòng)物來說，它們的肌肉需要產(chǎn)生更大的力量來支撐它們的體重，但肌肉的橫截面積增長速度跟不上體重的增長，從而導(dǎo)致它們的肌肉相對較弱。

那體型很小的動(dòng)物為什么也可能跑不快呢？實(shí)際上，對于小型動(dòng)物來說，盡管肌肉力量相對較強(qiáng)，但它們太輕了，當(dāng)它們試圖用較大的力量蹬地時(shí)，這只會(huì)讓它們的身體更早地離開地面，有點(diǎn)像汽車輪胎的“打滑”。

這也是為什么對于較大體型動(dòng)物，往往更多采取直立的運(yùn)動(dòng)姿勢，而在較小體型的動(dòng)物中，需要通過蹲伏的姿勢（就像老鼠或貓蹲伏在地面那樣）來增加推力，并增加與地面的接觸。但蹲伏姿勢又會(huì)減慢它們的步伐，從而影響速度。

因此，在大體型和小體型之間，就存在一個(gè)中等體型，這個(gè)恰到好處的體型，能夠很好地權(quán)衡肌肉力量和地面反作用力之間的沖突。

研究結(jié)果也表明，的確存在一個(gè)最優(yōu)的體型，使得動(dòng)物能夠擁有最快的奔跑速度。在這個(gè)最優(yōu)體型下，動(dòng)物能夠在保持肌肉力量和地面反作用力之間找到最佳平衡。

為了找到人類最優(yōu)體型，研究人員在0.1公斤到900公斤范圍內(nèi)設(shè)計(jì)了30個(gè)不同的模型，以進(jìn)一步測試速度與體型的關(guān)系。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，人類最大奔跑速度和體型之間存在一個(gè)曲線關(guān)系。其中60公斤的模型跑得最快，穩(wěn)定奔跑的速度能達(dá)到6.3米/秒。再通過統(tǒng)計(jì)擬合所有體型的數(shù)據(jù)，研究人員估計(jì)出最能提高速度的最優(yōu)體型所對應(yīng)體重大約是47公斤。這個(gè)模擬實(shí)驗(yàn)的結(jié)果和自然界中四足動(dòng)物中發(fā)現(xiàn)的最優(yōu)速度體型的體重（比如獵豹的最優(yōu)速度體重）也十分接近。

現(xiàn)在成年人類的體型雖然比研究模型發(fā)現(xiàn)的47公斤最優(yōu)體型稍重，但仍然接近理想值。有趣的是，現(xiàn)在人類中的許多優(yōu)秀長跑運(yùn)動(dòng)員（如肯尼亞男子馬拉松運(yùn)動(dòng)員埃魯?shù)隆せ諉谈瘢w重恰好約為50公斤。\u2028\u2028

因此，根據(jù)這項(xiàng)新研究，科學(xué)家們認(rèn)為人類現(xiàn)在的速度是我們所能達(dá)到的最快（除非人類的肌肉和形態(tài)發(fā)生大的改變）速度，而現(xiàn)代人類的體型則又可能是我們能達(dá)到最大奔跑速度的最優(yōu)體型。