Люди эволюционировали, чтобы ходить с дополнительной пружиной в нашем шаге, показывает исследование свода стопы

Новое исследование показало, что люди, возможно, развили арку, похожую на пружину, чтобы помочь нам ходить на двух ногах. Исследователи, изучающие эволюцию двуногого хождения, давно предположили, что приподнятый свод стопы помогает нам ходить, действуя как рычаг, толкающий тело вперед.

Но глобальная группа ученых обнаружила, что отдача гибкого свода стопы возвращает лодыжку в вертикальное положение для более эффективной ходьбы. Эффекты при беге сильнее, что говорит о том, что способность эффективно бегать могла быть избирательным давлением для гибкого свода стопы, что также сделало ходьбу более эффективной. Это открытие может даже помочь врачам улучшить методы лечения проблем со стопами у современных пациентов.

«Изначально мы думали, что подобная пружине арка помогает поднять тело на следующую ступеньку», — говорит доктор Лорен Велте, первый автор исследования в США. Границы биоинженерии и биотехнологии, который проводил исследование во время учебы в Королевском университете, а сейчас является филиалом Университета Висконсин-Мэдисон. «Оказывается, вместо этого пружинистая арка отступает, чтобы помочь лодыжке поднять тело».

Шаг за шагом

Эволюция наших стоп, в том числе приподнятый медиальный свод, который отличает нас от человекообразных обезьян, имеет решающее значение для двуногого хождения. Считается, что арка дает гомининам больше рычагов при прямохождении: механизм неясен, но когда движение арки ограничено, бег требует больше энергии. Арочная отдача потенциально может сделать нас более эффективными бегунами, продвигая центральную массу тела вперед или компенсируя механическую работу, которую в противном случае пришлось бы выполнять мышцам.

Чтобы исследовать эти гипотезы, команда отобрала семь участников с различной подвижностью свода стопы, которые шли и бегали, пока их ноги снимались высокоскоростными рентгеновскими камерами захвата движения. У каждого участника измеряли высоту свода стопы, а их правые стопы подвергали компьютерной томографии.

Ученые создали жесткие модели и сравнили их с измеренным движением костей стопы, чтобы проверить влияние подвижности свода стопы на соседние суставы. Они также измерили, какие суставы в наибольшей степени способствовали отдаче свода стопы, а также влияние отдачи свода стопы на центр масс и движение лодыжки.

Склонность к двуногости

Хотя ученые ожидали обнаружить, что отдача арки помогает жесткому рычагу арки поднять тело вверх, они обнаружили, что жесткая арка без отдачи либо приводит к тому, что стопа рано отрывается от земли, что, вероятно, снижает эффективность икроножных мышц, либо слишком сильно наклонил лодыжки вперед.

Наклон вперед отражает позу шагающих шимпанзе, а не прямохождение, характерное для походки человека. Гибкий свод помог переставить лодыжку в вертикальное положение, что позволяет ноге более эффективно отталкиваться от земли. Этот эффект еще больше проявляется при беге, что позволяет предположить, что эффективный бег мог быть эволюционным давлением в пользу гибкого свода стопы.

Ученые также обнаружили, что сустав между двумя костями медиальной дуги, ладьевидной и медиальной клиновидной, имеет решающее значение для гибкости дуги. Изменения в этом суставе могут помочь нам проследить развитие прямохождения в палеонтологической летописи гоминидов.

«Подвижность наших ног, кажется, позволяет нам ходить и бегать прямо, а не приседать вперед или слишком рано отталкиваться от следующего шага», — сказал доктор Майкл Рейнбоу из Королевского университета, старший автор.

Терапевтический потенциал

Эти результаты также предлагают терапевтические возможности для людей, у которых арки ригидны из-за травмы или болезни: поддержание гибкости арки может улучшить общую подвижность.

«Наша работа предполагает, что движение арки во время движения делает движение более эффективным», — сказал Велте. «Если мы ограничим движение свода стопы, вполне вероятно, что произойдут соответствующие изменения в функционировании других суставов».

«На данном этапе наша гипотеза требует дальнейшей проверки, потому что нам нужно убедиться, что различия в подвижности стопы среди населения приводят к изменениям, которые мы наблюдаем в нашей ограниченной выборке», — сказал Рейнбоу. «Тем не менее, наша работа готовит почву для нового захватывающего направления исследований».