Викривлення стопи в районі; походження біпедалізму Sciences et Avenir
Опубліковано 15.03.20 о 11:00
Занадто гнучкою ногою, неможливо ходити. Однак, на думку дослідників з Єльського університету, жорсткість стопи двоногих залежить від двох вигинів її дуги: одна поздовжня від загальновідомої важливості, а інша - поперечно від ролі, недооціненої до цього часу.
Без жорсткої середньої ноги ти не можеш ходити. Золото без поперечно вигнутої арки, відсутність жорсткості.
"Твердість людської стопи дозволяє ефективно штовхатись під час ходьби або бігу і необхідна для виникнення біпедалізму", - говорить група дослідників з Єльського університету (США) в опублікованому дослідженні Nature від 26 лютого 2020 року. Ця заява становить консенсус у науковому співтоваристві. Люди мають дугоподібну (вигнуту, у формі арки) середню частину стопи, яка занадто жорстка, щоб нахилятися спереду назад: ця характеристика, як відомо, робить людську стопу достатньо міцною, щоб діяти як важіль і натискати на задню землю на кожному кроці. Ми також знаємо, що людська стопа не зовсім тверда, вона зберігає достатню гнучкість і еластичність, щоб накопичувати енергію, що виробляється м’язами, і звільняти її, щоб рухати тіло вперед, як пружина. Тому саме точний ступінь жорсткості його стопи дозволяє людям ходити.
Але від якої морфологічної характеристики залежить жорсткість стопи Homo sapiens? На ступінь викривлення поздовжнього склепіння стопи, який починається від п’яти і проходить до плеснової кістки, дослідники у всьому світі відповідають одностайно протягом декількох років. На їх думку, поздовжня вісь дуги є не лише естетичною: вона перетворює вертикальні сили завдяки силі тяжіння на сили тиску, розподілені в товщі стопи, що дозволяє кінцівці не руйнуватися на собі при ходьбі та відновлювати енергію в ефективна форма для просування вперед. Однак ступінь викривлення іншої дуги стопи може також допомогти жорсткості стопи, вважають дослідники Єльського університету: поперечна дуга стопи, тобто дуга, описана тарзальними кістками та плесновими кістками з одного боку кінцівки до інший - відповідальність за 40% жорсткості людської стопи.
Три моделі стопи для пояснення відношення кривизни та жорсткості людської стопи
Для того, щоб продемонструвати роль поперечної дуги дуги стопи в жорсткості стопи, автори дослідження Nature спочатку змоделювали цю арку як поперечно вигнуту еластичну оболонку. Оскільки ця оболонка порівняно гнучка, дослідникам вдалося призначити їй різні рівні кривизни. Вони також піддавали його дії силам, подібним до тих, що діють на людську стопу при ходьбі, і вимірювали ступінь її жорсткості. І те, що вони виявили, штовхнуло їх продовжувати свої експерименти: згідно з їх першими результатами, чим більше збільшувалася ступінь поперечної кривизни корпусу, тим вищий рівень його жорсткості.
Оскільки, якщо ця перша модель стопи дала можливість описати зв'язок між формою конструкції та жорсткістю цієї, недостатньо зрозуміти, як кривизна поперечного склепіння стопи сприяє жорсткості. останній.
"Твердість людської стопи дозволяє ефективно штовхатись під час ходьби або бігу і необхідна для виникнення біпедалізму", - говорить група дослідників з Єльського університету (США) в опублікованому дослідженні Nature від 26 лютого 2020 року. Ця заява становить консенсус у науковому співтоваристві. Люди мають дугоподібну (вигнуту, у формі арки) середню частину стопи, яка занадто жорстка, щоб нахилятися спереду назад: ця характеристика, як відомо, робить людську стопу достатньо міцною, щоб діяти як важіль і натискати на задню землю на кожному кроці. Ми також знаємо, що людська стопа не є повністю жорсткою, що вона зберігає достатню гнучкість і еластичність, щоб накопичувати енергію, що виробляється м’язами, і звільняти її, щоб рухати тіло вперед, як пружина. Тому саме точний ступінь жорсткості його стопи дозволяє людям ходити.
Але від якої морфологічної характеристики залежить жорсткість стопи Homo sapiens? На ступінь викривлення поздовжнього склепіння стопи, який починається від п’яти і проходить до плеснової кістки, дослідники у всьому світі відповідають одностайно протягом декількох років. На їх думку, поздовжня вісь дуги є не лише естетичною: вона перетворює вертикальні сили завдяки силі тяжіння на сили тиску, розподілені в товщі стопи, що дозволяє кінцівці не руйнуватися на собі при ходьбі та відновлювати енергію в ефективна форма для просування вперед. Однак ступінь викривлення іншої дуги стопи може також допомогти жорсткості стопи, вважають дослідники Єльського університету: поперечна дуга стопи, тобто дуга, описана тарзальними кістками та плесновими кістками з одного боку кінцівки до інший - відповідальність за 40% жорсткості людської стопи.
Три моделі стопи для пояснення відношення кривизни та жорсткості людської стопи
Для того, щоб продемонструвати роль поперечної дуги дуги стопи в жорсткості стопи, автори дослідження Nature спочатку змоделювали цю арку як поперечно вигнуту еластичну оболонку. Оскільки ця оболонка порівняно гнучка, дослідникам вдалося призначити їй різні рівні кривизни. Вони також піддавали його дії силам, подібним до тих, що діють на людську стопу при ходьбі, і вимірювали ступінь її жорсткості. І те, що вони виявили, штовхнуло їх продовжувати свої експерименти: згідно з їх першими результатами, чим більше збільшувалася ступінь поперечної кривизни корпусу, тим вищий рівень його жорсткості.
Щоб з’ясувати роль зв’язок, в кінцевому рахунку вчені вдалися до двох реальних людських ніг, отриманих від трупа. Потім вони вимірювали жорсткість однієї з двох стоп, потім перерізали її міжметатарсальні зв’язки і знову вимірювали жорсткість склепіння стопи. Після розрізання зв’язок поперечної дуги стопа легше деформується і її жорсткість зменшується на 40%. Той самий експеримент, проведений на іншій стопі, розрізавши зв’язки поздовжньої дуги, призвів до зменшення жорсткості підошовної кінцівки лише на 23%: зв’язки поперечної дуги стопи вносять навіть більше, ніж зв’язки в її звід. поздовжня до загальної жорсткості.
Перспективи палеонтології: краще описує появу біпедалізму
Це відкриття ролі поперечного склепіння стопи могло б забезпечити краще розуміння виникнення біпедалізму у далеких предків людей. "Проаналізувавши скам'янілості, ми вивчили еволюцію поперечної кривизни стоп різних гомінінів і показали, що поперечна дуга з кривизною, близькою до кривої людських ніг, є ключовим елементом еволюції до біпедалізму", таким чином оголошують біофізики в їх вивчення. Останні справді підтвердили, що у макак, шимпанзе та горил відносно плоскі ноги, тоді як стопи скам’янілостей Homo naledi, Homo habilis та Homo erectus, видів, які можуть ходити, мають кривизну поперечної дуги, порівнянну з Homo sapiens.
Крім того, згідно з вимірами дослідників, ступні видів гомінінів до роду Homo, таких як Australopithecus afarensis, хода яких ми точно не знаємо, мали б значно нижчий ступінь поперечної кривизни дуги до сучасної стопи. . Для того, щоб ходити, далеким предкам людини, отже, довелося б рухатись вперед ходою, далекою від ходи особин Homo, або мати морфологічні характеристики, здатні компенсувати цю низьку кривизну і, отже, цю низьку жорсткість стопа. Висвітлення важливості поперечного склепіння стопи для біпедалізму відкриває, таким чином, нові перспективи для вивчення далеких предків людини.
Можливі терапевтичні програми ?
"Це нове розуміння анатомії стопи може забезпечити [...] великий прогрес у вивченні функції стопи та в розробці роботизованих ніг", - заявили дослідники на завершення свого дослідження. Але головне застосування, яке можна знайти в їх відкритті, - терапевтичне: в ортопедії нові методи лікування можуть скористатися викривленням поперечної підошовної дуги з метою виправлення морфологічних дефектів стоп, таких як плоскостопість.
Однак необхідно провести додаткові дослідження, щоб розробити нові устілки, нове взуття або нові роботи. "Кривизна поперечного склепіння стопи, мабуть, недостатня для пояснення жорсткості людської стопи", - стверджують автори в статті Nature Communication. Анатомічні елементи, крім цієї поперечної кривизни, безсумнівно, також відіграють певну роль у жорсткості людської стопи. "Це, наприклад, [...] потенціал м'язів активно регулювати жорсткість дуги", - кажуть вони. Нарешті, склепіння людської стопи все ще охоплює багато загадок.
Щоранку отримуйте безкоштовні оновлення новин