足弓的故事:人類為什么會進化出足弓?

足弓的故事:人類為什么會進化出足弓?
哥倫比亞麥德林,少年們正在練習花樣游泳。
攝影:KIKE CALVO, NAT GEO IMAGE COLLECTION
 
撰文:SARAH ELIZABETH RICHARDS
 
  一百多年來,進化生物學家一直對人類的足部嘆為觀止:它們不僅精巧的設計,而且能讓直立行走毫不費力。比如,短短的腳趾帶來了長距離奔跑的能力。
 
  2月26日發表于《自然》雜志的一篇論文把目光投向了其中的一部分:足弓,即凸向上方的弓形結構,它在人類活動過程中發揮的作用比之前想象的更大。專家表示,這一發現加深了我們對足部生物力學的了解,科學家可以據此制造出更精確的機械肢和假肢,骨科醫生能更好地治療足部疾病,設計師也許會帶來更好的鞋子設計。
 
足弓的故事:人類為什么會進化出足弓?
在法國的一座莊園里,當地人正在再現古法釀酒的過程。
攝影:BRIAN FINKE, GETTY IMAGES VIA NAT GEO IMAGE COLLECTION
 
  來自美國、日本和英國的研究團隊表示,現代人類足部40%的剛度來自一種被稱為“跗骨橫弓”的結構(一道穿過腳面的橫向曲線),而它的作用以前被低估了。這個橫弓與足底更著名的內側縱弓一起,共同構成了獨特的足部剛度,讓我們在走路時不會摔倒,并把人類和其他靈長動物區分開來,后者需要更靈活的腳攀住樹枝。
 
  研究首席著者、耶魯大學的機械工程和材料科學助理教授Madhusudhan Venkadesan說:“我們很驚訝它會有這樣的效果。關于腳的形狀與剛度的關系,一直有不少爭議,但主要集中在內側縱弓(從球狀部位到腳跟的一道長弧)。”
 
足弓的故事:人類為什么會進化出足弓?
在塞內加爾胡安·安東尼奧·薩馬蘭奇體育館非洲奧林匹克中心,足球賽即將開始。
攝影:TINO SORIANO, NAT GEO IMAGE COLLECTION

足弓的故事:人類為什么會進化出足弓?
在新加坡植物園,一群中年人正在鍛煉身體。
攝影:CORY RICHARDS, NAT GEO IMAGE COLLECTION
 
  足弓的彎曲與足部剛度之間的關系很好理解,想象一下你手里抓著一張一美元紙幣。把它鋪平,稍微卷一下長邊,讓中間彎曲起來,就像一條管道或公路隧道。這樣就形成了一個縱向的拱形,用手指推推這個拱形的中央,你會感覺到有某種阻力或剛度。Venkadesan的團隊希望證明,我們的足部也存在相似的原理;這也解釋為什么披薩疊起來后,會不那么松軟。
 
  “我們要想辦法在腳上檢驗這個想法。”他說。
 
  于是他們設計了一系列實驗,在兩具人類尸體的腳上進行了彎曲測試。在活人身上,我們很難區分橫弓的作用,因為它總會與腳的其他部分協同運作。但在尸體上,研究人員可以移除跖骨之間的彈性組織,從而直接測量足弓對足部剛度的影響。
 
  下一步是了解橫弓在人類進化中所起的作用。Venkadesan的團隊開發了一個數學模型,通過對比現代人的足弓與已滅絕的古人類的化石,重建人類足部的歷史。
 
  不出所料,橫弓的出現是直立行走的重要一環。橫弓在其他古人類身上出現的時間,比現代人類腳踏大地要早300多萬年。接下來是內側縱弓,準確地說,它出現在180萬年前。這對組合帶來了必要的剛度,跑馬拉松和跳躍因此成為可能。
 
  專家表示,新研究意義重大,因為這是我們首次量化橫弓的剛度。
 
足弓的故事:人類為什么會進化出足弓?
主動式踝關節假肢里的電動彈簧可以像真腿一樣運動。
攝影:MARK THISESSEN, NAT GEO IMAGE COLLECTION
 
  紐約布法羅大學的人類學助理教授Nicholas Holowka一直在研究人類足部的進化。他說:“我們很早就知道橫弓的存在,但一直沒有辦法測量,因此不知道它對腳的整體功能的影響。這項研究極大地拓展了我們的認知:足部獨特的形狀讓我們獲得了雙足行走的能力。”
 
  那么,這項研究對于扁平足的人有什么意義?事實上,橫弓是默默支撐身體的無名英雄。
 
  扁平足內側縱弓塌陷,會給對身體其他部分帶來壓力,導致足痛。軍方曾因此拒絕扁平足的人入伍。
 
  但Venkadesan的研究揭示了為什么大部分扁平足的人并沒有遇到慢性疼痛或受傷,Holowka 說。
 
  “想象一下,扁平足的人縱弓較低,但因為橫弓相對較高,所以腳仍有一定的剛度,” Holowka補充說,未來的研究將檢測扁平足的程度與橫弓之間的關聯。他還表示會找到量化橫弓彎曲的方法,從而更好地了解足痛,這可能是制造矯正器的關鍵所在。
 
  澳大利亞圣盧西亞昆士蘭大學的生物力學副教授Glen Lichtwark表示,未來其他研究應當著眼于人類橫弓的解剖范圍,從而找出高曲率和高剛度之間的相關性。
 
  Lichtwark說:“你可能曲率高,但在其他地方有一個折衷。或者我們可以用不同的方式調用肌肉。目前我們還不知道真實情況。”
 
足弓的故事:人類為什么會進化出足弓?
時代廣場,黃色出租車、紅色高跟鞋和女人的腿組成了一道風景。
攝影:TINO SORIANO, NAT GEO IMAGE COLLECTION
 
  Lichtwark與他人合著的論文發表在《自然》雜志上,他表示,這項研究對于足部保健有著實際意義,包括設計機械肢和假肢,解釋為什么矯形外科手術可以減輕一些病人的痛苦,卻對另一些人無效。未來,鞋店的員工可能只要掃描一下你的腳,就能根據整體結構給出適合你的個性化推薦。
 
  “這項研究為我們帶來了思考足部復雜結構的另一個維度,”Lichtwark說:“它強調足部是三維,我們要以此為出發點展開思考。”
 
(譯者:Sky4)
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