不太大也不太小，人類的體型為何“剛剛好”_風聞

在這世界上，雖然每一個人的身高體重都各不相同，但總歸還是有個範圍限制，所謂“再胖胖不成大象，再小小不過螞蟻”。那麼我們不禁要問，人類的體型為什麼不太大也不太小，偏偏就這麼高、這麼重？在體型各異的動物世界裏，人類的體型尺寸，究竟“合理”在哪裏？

撰文 | 王新凱

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一的規律，也很難比較孰優孰劣。另一方面，現代人類和已滅絕的“古人類”的體型也不盡相同，比如三百多萬年前的南方古猿體重大約為30公斤，而兩百萬年前的直立猿人大約為80公斤重。既然動物世界裏大大小小的個頭兒都能存在，人類演化歷史上個頭也並非一直未變，那麼現代人類的體型為什麼會是今天這個樣子？其合理性究竟體現在什麼地方呢？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，尤其是跑步能力有着重要的影響。而我們如今不大不小的體型，或許正是最“完美”的運動個頭兒。還有一個值得注意的現象：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。

圖：在肯尼亞草原上奔跑的獵豹丨來源：britannica.com

這不僅僅是個有趣的觀察結果，實際上涉及到動物體型、運動方式和能量消耗之間的複雜關聯，也是解釋人類體型大小之謎的一個關鍵。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複雜關係，以及這些因素如何塑造了現代人類的體型。相關研究結果發表在近期的《自然通訊》雜誌上。

一般來説，隨着動物體型的增大，它們的一些生物學特徵及機能也會變化。比如，腿長的動物跑得快，但這又不絕對，並非腿特別長就能跑得特別快。為了找到不同體型對於人體運動的影響和兩者之間的聯繫，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。這是一種基於物理原理的肌肉骨骼模擬技術，它不再依賴現實的實驗數據，而是能夠根據肌肉骨骼系統的基本物理原理，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於研究體型差異很大的動物羣體特別有用，因為現實中很難找到體型跨度這麼大的動物羣體來進行比較。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公斤的範圍內變化時，人體四肢的運動、肌肉力量以及能量消耗，對於最大運動速度的影響。或者直白點説，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。

圖：大象丨來源：Pixabay

為此，他們創建了一系列從0.1公斤到2000公斤的人類肌肉骨骼系統三維計算機模型，並且調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。然後，研究團隊在這些模型中模擬了不同步態速度下的行走和奔跑狀態，並觀察在0.1公斤到2000公斤體型範圍內，人體的最大速度和運動能耗如何變化。有趣的事情發生了。首先，按照人類當前的身體形態，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構才能動起來。其次，研究人員發現，隨着體型的增大，運動能耗（即移動一定距離所需的能量）會降低。這意味着，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。那麼，為什麼體型很大的動物反而可能跑不快呢？模擬實驗的結果顯示，這可能是因為它們的肌肉力量不足。對於大型動物來説，它們的肌肉需要產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麼也可能跑不快呢？實際上，對於小型動物來説，儘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，這隻會讓它們的身體更早地離開地面，有點像汽車輪胎的“打滑”。這也是為什麼對於較大體型動物，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，並以增加與地面的接觸。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，就存在一箇中等體型，這個恰到好處的體型，能夠很好地權衡肌肉力量和地面反作用力之間的衝突。研究結果也表明，的確存在一個最優的體型，使得動物能夠擁有最快的奔跑速度。在這個最優體型下，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。為了找到人類最優體型，研究人員在0.1公斤到900公斤範圍內設計了30個不同的模型，以進一步測試速度與體型的關係。結果發現，人類最大奔跑速度和體型之間存在一個曲線關係。其中60公斤的模型跑得最快，穩定奔跑的速度能達到6.3米/秒。再通過統計擬合所有體型的數據，研究人員估計出最能提高速度的最優體型所對應體重大約是47公斤。這個模擬實驗的結果和自然界中四足動物中發現的最優速度體型的體重（比如獵豹的最優速度體重）也十分接近。

圖：四足哺乳動物和不同人類模擬體型與速度之間的關係，顯示中等體型的動物（如獵豹）通常是最快的丨來源：Nature Communications

正如前面所説，350萬年前的南方古猿體重大約為30公斤，200萬年前的直立猿人體重大約80公斤，而30萬年前的納萊迪人體重約37公斤，5萬年前的弗洛勒斯人體重約27公斤，現代成年人類的平均體重則約為62公斤。體型或許在某種程度上，也影響了人類的遠古祖先及近親的演化命運。現在成年人類的體型雖然比研究模型發現的47公斤最優體型稍重，但仍然接近理想值。有趣的是，現在人類中的許多優秀長跑運動員（如肯尼亞男子馬拉松運動員埃魯德·基普喬格）體重恰好約為50公斤。因此，根據這項新研究，科學家們認為人類現在的速度是我們所能達到的最快（除非人類的肌肉和形態發生大的改變）速度，而現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體型。研究人員也表示，他們的發現不僅揭示了人類體型、速度和能量消耗之間的複雜關係，而且指出了為何某種中等體型的動物能夠達到最快的速度。這一研究成果不僅對運動科學和生物力學領域具有重要意義，也為理解我們自身的演化歷程提供了新的線索，包括可能會幫助我們更好地理解人類如何適應不同的環境和生活方式，以及如何通過改變訓練和運動策略來提高運動速度。

參考資料

[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

[2] https://phys.org/news/2024-10-big-small-modern-humans-ideal.html

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