大きすぎず、小さすぎず、なぜ人間の体の大きさはちょうどいいのでしょうか？

この世界では、身長や体重は人それぞれ違いますが、それでも範囲制限はあります。諺にもあるように、「どんなに太っていても象にはなれないし、どんなに小さくてもアリにはなれない。」そこで私たちは、なぜ人間は大きすぎず小さすぎず、ただ背が高くて重いだけなのかと問わずにはいられません。さまざまな体の大きさの動物がいる世界において、人間の体の大きさの何が「合理的」なのでしょうか?

著者 |王新凱

自然界の動物の大きさは、小さなネズミから巨大な象まで多種多様です。この多様性により、科学者が統一されたルールを見つけたり、どれが優れているか劣っているかを比較したりすることが困難になります。一方、現代人と絶滅した「古代人」の体型も異なります。例えば、300万年以上前に生息していたアウストラロピテクスの体重は約30キログラムでしたが、200万年前に生息していたホモ・エレクトスの体重は約80キログラムでした。

動物界にはあらゆる大きさの動物がいて、人間の体の大きさは人類の進化を通じて変わっていないのに、なぜ現代人の体の大きさは現在のような大きさなのでしょうか。その合理性は一体どこにあるのでしょうか?

これまでの研究では、動物の走る速度と持久力が種の進化に影響を与える重要な要因である可能性があることが示されています。そのため、科学者たちは、人類の進化の過程での体型の変化が私たちの運動能力、特に走る能力に​​重要な影響を与えているのではないかと推測しています。大きすぎず小さすぎない今の私たちの体型は、スポーツをするのに最も「ぴったり」のサイズなのかもしれません。

注目すべきもう一つの現象があります。自然界の多くの動物の中で、最も速い動物は、最も大きい動物でも最も小さい動物でもなく、中くらいの大きさの動物であることが多いのです。たとえば、陸上動物の中で最も速いのはチーターであり、最高時速 104 キロメートルに達することができます。水中で最も速い動物はキハダマグロとイカで、それぞれ時速75キロメートルと77キロメートルの速度に達することができます。

写真: ケニアの草原を走るチーター |出典: britannica.com

これは単なる興味深い観察ではありません。それは実際には、動物の体の大きさ、運動パターン、エネルギー消費の間の複雑な関係に関係しており、人間の体の大きさの謎を解く鍵となります。

この謎を解明するため、オーストラリアのクイーンズランド大学の科学チームはコンピューターシミュレーションを使用して、人間のスピード、体の大きさ、生体力学の複雑な関係と、これらの要素が現代人の体型をどのように形作ったかを調査した。関連する研究結果は最近のNature Communications誌に掲載されました。

一般的に言えば、動物が大きくなるにつれて、その生物学的特徴や機能も変化します。例えば、足の長い動物は速く走りますが、これは絶対的なものではありません。特に長い脚を持つ動物のすべてが特に速く走れるわけではありません。

さまざまな体型が人間の動きにどのような影響を与えるか、また両者の関係性を調べるために、研究チームはすべての骨、筋肉、腱を含む仮想人間モデルを使用しました。物理原理に基づいた筋骨格シミュレーション技術です。実際の実験データに依存せず、筋骨格系の基本的な物理原理に基づいて、さまざまな仮想動作パターンをシミュレートおよび予測できます。この仮想人間モデルは、体の大きさが大きく異なる動物群を研究するのに特に役立ちます。なぜなら、現実には比較できるような体の大きさの範囲が広い動物群を見つけることは難しいからです。

この研究では、研究チームは、人体の大きさが0.1kgから2000kgまで変化した場合の四肢の動き、筋力、エネルギー消費が最大移動速度に与える影響を調査しました。もっと率直に言えば、人間がネズミの大きさに縮小したり、象の大きさに拡大したりしたら、どれくらいの速さで走れるでしょうか?

画像: 象 |出典: Pixabay

これを実現するために、研究者らは 0.1 kg から 2000 kg までの範囲の人間の筋骨格系の一連の 3D コンピュータ モデルを作成し、各モデルの筋骨格特性を幾何学的相似性の原則に準拠するように調整しました。次に研究チームは、これらのモデルでさまざまな歩行速度での歩行と走行をシミュレートし、人体の最大速度とエネルギー消費が0.1kgから2000kgの体のサイズ範囲でどのように変化するかを観察しました。

面白いことが起こりました。

まず、現在の人間の体型では、体重が2,000キログラムになると、1,000キログラムでも全く動けなくなります。実際、人間が二足歩行で移動する際に支えられる最大の体の大きさは、おそらく約 900 kg です。人間がこの体重を超えると、移動するために二足直立歩行に構造を変える必要があるかもしれません。

第二に、研究者らは、体の大きさが大きくなるにつれて、運動エネルギーコスト（つまり、一定の距離を移動するために必要なエネルギー）が減少することを発見した。これは、動物が大きいほど、同じ距離を移動するのに体重あたりに必要なエネルギーが少なくなることを意味します。

では、なぜ非常に大きな動物は速く走ることができないのでしょうか?シミュレーション実験の結果、これは筋肉が十分に強くないことが原因である可能性があることがわかりました。大型動物の場合、体重を支えるために筋肉はより大きな力を生み出す必要がありますが、筋肉の断面積は体重ほど速く成長することができないため、筋肉は比較的弱くなります。

非常に小さな動物が速く走れないのはなぜでしょうか?実際、小動物は筋力が比較的強いにもかかわらず体が軽すぎるため、より大きな力で地面を蹴ろうとすると、車のタイヤが「スリップ」するのと少し同じように、体が早く地面から離れるだけになります。

このため、大型動物は直立姿勢で移動する傾向があり、小型動物は推進力を高めて地面との接触を増やすためにしゃがむ必要がある場合があります (ネズミや猫が地面にしゃがんでいるように)。しかし、しゃがむと動きが遅くなり、スピードに影響します。

したがって、大きい体のサイズと小さい体のサイズの間には、中くらいの体のサイズが存在します。この完璧なボディサイズは、筋力と地面反力の相反をうまくバランスさせます。

結果はまた、動物が最速の速度で走れる最適な体の大きさが実際に存在することを示しています。この最適な体のサイズでは、動物は筋力の維持と地面反力の間で最適なバランスを見つけることができます。

人間にとって最適な体の大きさを見つけるために、研究者らは0.1kgから900kgまでの範囲の30種類のモデルを設計し、速度と体の大きさの関係をさらにテストしました。結果は、人間の最大走行速度と体の大きさの間には曲線関係があることを示しました。その中で最も速く走ったのは60kgモデルで、安定した走行速度は毎秒6.3メートルでした。研究者たちは、あらゆる体型のデータを統計的に当てはめ、速度を最も向上させることができる最適な体型は体重約47キログラムに相当すると推定した。このシミュレーション実験の結果は、自然界の四足動物に見られる最適速度体重（チーターなどの最適速度体重）に非常に近いものです。

図: 四足哺乳類の体の大きさと速度の関係と、さまざまな人間のシミュレーション。中型の動物 (チーターなど) が通常最も速いことを示しています。 |出典: ネイチャーコミュニケーションズ

先ほども述べたように、350万年前のアウストラロピテクスの体重は約30kg、200万年前のホモ・エレクトスの体重は約80kg、30万年前のナレディ・ホモの体重は約37kg、5万年前のフローレス・ホモの体重は約27kgで、現代の成人の平均体重は約62kgです。体の大きさは、ある程度、人類の古代の祖先や近親者の進化の運命に影響を与えた可能性がある。

現在の成人の体のサイズは、研究モデルによって発見された最適な体のサイズである 47 kg よりわずかに重いですが、それでも理想値に近いです。興味深いことに、今日のトップ長距離ランナーの多く（ケニアのマラソン選手エリウド・キプチョゲなど）の体重はちょうど50kg前後です。

したがって、この新しい研究に基づいて、科学者たちは、人間の現在のスピードは（筋肉や形態が大きく変化しない限り）人間が達成できる最高速度であり、現代人の体の大きさは最高の走行速度を達成するための最適な体の大きさである可能性があると考えています。

研究者らはまた、今回の研究結果は人間の体の大きさ、スピード、エネルギー消費量の間の複雑な関係を明らかにするだけでなく、特定の中型動物が最速のスピードを出せる理由も示していると述べた。この研究結果は、スポーツ科学やバイオメカニクスの分野にとって大きな意義を持つだけでなく、人間がさまざまな環境やライフスタイルにどのように適応するか、トレーニングや運動戦略を変えることでどのように動作速度を向上させるかなど、私たち自身の進化のプロセスを理解するための新たな手がかりも提供します。

特別なヒント

1. 「Fanpu」WeChatパブリックアカウントのメニューの下部にある「特集コラム」に移動して、さまざまなトピックに関する人気の科学記事シリーズを読んでください。

2. 「Fanpu」では月別に記事を検索する機能を提供しています。公式アカウントをフォローし、「1903」などの4桁の年+月を返信すると、2019年3月の記事インデックスなどが表示されます。

著作権に関する声明: 個人がこの記事を転送することは歓迎しますが、いかなる形式のメディアや組織も許可なくこの記事を転載または抜粋することは許可されていません。転載許可については、「Fanpu」WeChatパブリックアカウントの舞台裏までお問い合わせください。