Một nghiên cứu quốc tế gần đây đã hé lộ những hiểu biết thú vị về cơ chế đạt tốc độ chạy tối đa ở động vật trên cạn.

Nghiên cứu này cho thấy khả năng chạy nước rút ở tốc độ tối đa có mối liên hệ mật thiết với hai yếu tố quan trọng: tốc độ và biên độ co cơ.

Đáng chú ý, ở những sinh vật trên cạn có kích thước trung bình như báo cheetah, hai yếu tố hạn chế này hội tụ ở trạng thái cân bằng tối ưu, giải thích tại sao những loài động vật này, chứ không phải những loài lớn hơn như voi hay những loài nhỏ hơn như kiến, lại là những nhà vô địch về tốc độ trong vương quốc động vật. Phát hiện đột phá này hứa hẹn sẽ cung cấp thông tin hữu ích cho việc thiết kế các robot trong tương lai với khả năng chạy được nâng cao.

Dẫn đầu bởi một nhóm các tổ chức, trong đó có Đại học Hoàng gia Luân Đôn, nhóm nghiên cứu quốc tế đã phát triển một mô hình vật lý phức tạp để tìm hiểu cách các cơ bắp đặt ra những hạn chế đối với tốc độ chạy tối đa của động vật. Theo mô hình này, hạn chế đầu tiên được gọi là "giới hạn khả năng động học", có mối tương quan với tốc độ co cơ.

Ngược lại với các loài có kích thước lớn hơn, các loài động vật nhỏ hơn tạo ra lực từ cơ bắp lớn hơn một cách không cân xứng trong quá trình chạy, hạn chế tốc độ co cơ của chúng. Hạn chế thứ hai, được gọi là "giới hạn khả năng làm việc", liên quan đến biên độ co cơ.

Do trọng lượng nặng hơn, các loài động vật lớn hơn có lực cơ giảm so với khối lượng cơ thể, điều này hạn chế biên độ co cơ.

Các nhà nghiên cứu minh họa khái niệm này một cách sinh động bằng các ví dụ. Đối với những động vật khổng lồ như tê giác hoặc voi, chạy nước rút giống như việc nâng một vật nặng khổng lồ, vì các cơ bắp tương đối yếu hơn của chúng phải vật lộn chống lại lực hút mạnh mẽ của trọng lực. Do đó, những sinh vật này buộc phải giảm tốc độ khi khối lượng của chúng tăng lên.

Ngược lại, những động vật có kích thước trung bình như báo cheetah, thường nặng khoảng 50 kg, nằm ở "điểm tối ưu" về mặt sinh lý, nơi cả giới hạn về động năng và khả năng làm việc được cân bằng hài hòa. Sự cân bằng này tạo điều kiện cho tốc độ cực nhanh, với báo cheetah có thể đạt vận tốc trên 100 km/giờ.

Ngoài việc làm sáng tỏ cơ chế vận động nhanh, mô hình mới này còn cung cấp những hiểu biết sâu sắc về sự khác biệt giữa các loài trong nhóm động vật. Ví dụ, hãy xem xét sự khác biệt giữa các loài bò sát lớn như thằn lằn và cá sấu, mặc dù có kích thước nhỏ hơn và tốc độ chậm hơn, nhưng lại thể hiện chiến lược vận động khác so với các loài động vật có vú lớn.

Lời giải thích nằm ở tỷ lệ giữa cơ bắp chi và trọng lượng cơ thể: các loài bò sát, với cơ bắp chi tương đối nhỏ, đạt đến giới hạn hoạt động ở kích thước nhỏ hơn, đòi hỏi một thân hình thon gọn hơn để di chuyển nhanh nhẹn.

Được công bố trên tạp chí danh tiếng Nature Communications, nghiên cứu này đánh dấu một bước tiến quan trọng trong việc hiểu biết về cơ sinh học của động vật. Vì bộ dữ liệu của nghiên cứu hiện bao gồm khoảng 400 loài trên cạn, các nghiên cứu trong tương lai hướng đến việc mở rộng phân tích này sang các loài động vật di chuyển trong môi trường nước và bay lượn trên bầu trời.

Những nỗ lực như vậy hứa hẹn sẽ làm sáng tỏ thêm nhiều khía cạnh phức tạp trong mối quan hệ giữa kích thước và tốc độ ở các môi trường sống và vị trí tiến hóa khác nhau.