不太大也不太小，人類的體型為何“剛剛好”

自然界中動物的體型千差萬別，從小小的老鼠到龐大的大象，這種多樣性讓科學家很難找出一個統(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。

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

之前有研究表明，動物的奔跑速度和耐力可能是物種演化過程中的一個重要影響因素。因此，科學家們猜測，人類演化過程中體型的變化可能對我們的運動能力，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動個頭兒。

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

這不僅僅是個有趣的觀察結(jié)果，實際上涉及動物體型、運動方式和能量消耗之間的復雜關(guān)聯(lián)，也是解釋人類體型大小之謎的一個關(guān)鍵。

為了揭開其中的謎團，來自澳大利亞昆士蘭大學的科學團隊通過計算機模擬，來嘗試探索人類速度、體型和生物力學之間的復雜關(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，隨著動物體型的增大，它們的一些生物學特征及機能也會變化。比如，腿長的動物跑得快，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動的影響和兩者之間的聯(lián)系，研究團隊使用了一個包括所有骨骼、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)實的實驗數(shù)據(jù)，而是能夠根據(jù)肌肉骨骼系統(tǒng)的基本物理原理，來模擬和預測各種虛擬的運動模式。這種虛擬人體模型尤其是對于研究體型差異很大的動物群體特別有用，因為現(xiàn)實中很難找到體型跨度這么大的動物群體來進行比較。

在這項研究中，研究團隊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，人體四肢的運動、肌肉力量以及能量消耗對于最大運動速度的影響。或者直白點說，將人類縮小到小鼠那樣小，或者放大到大象那樣大時，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)三維計算機模型，并且調(diào)整了每個模型中的肌肉骨骼屬性，以符合幾何相似性的原則。然后，研究團隊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動能耗如何變化。

有趣的事情發(fā)生了。

首先，按照人類當前的身體形態(tài)，當“胖”到2000公斤時，將完全無法“動彈”，1000公斤也不行。實際上，以雙足步態(tài)移動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)才能動起來。

其次，研究人員發(fā)現(xiàn)，隨著體型的增大，運動能耗（即移動一定距離所需的能量）會降低。這意味著，體型越大的動物，單位體重下移動相同距離所需的能量越少。

那么，為什么體型很大的動物反而可能跑不快呢？模擬實驗的結(jié)果顯示，這可能是因為它們的肌肉力量不足。對于大型動物來說，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，從而導致它們的肌肉相對較弱。

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

這也是為什么對于較大體型動物，往往更多采取直立的運動姿勢，而在較小體型的動物中，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，就存在一個中等體型，這個恰到好處的體型，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，的確存在一個最優(yōu)的體型，使得動物能夠擁有最快的奔跑速度。在這個最優(yōu)體型下，動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)計了30個不同的模型，以進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)定奔跑的速度能達到6.3米/秒。再通過統(tǒng)計擬合所有體型的數(shù)據(jù)，研究人員估計出最能提高速度的最優(yōu)體型所對應體重大約是47公斤。這個模擬實驗的結(jié)果和自然界中四足動物中發(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)秀長跑運動員（如肯尼亞男子馬拉松運動員埃魯?shù)隆せ諉谈瘢w重恰好約為50公斤。\u2028\u2028

因此，根據(jù)這項新研究，科學家們認為人類現(xiàn)在的速度是我們所能達到的最快（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到最大奔跑速度的最優(yōu)體型。