Понимание того, как развивались человеческие стопы, может помочь экспертам разработать усовершенствованное протезирование и лечить плоскостопие. У людей есть заметная арка вдоль внутренней части стопы от подушечек к пятке – продольный свод, помогающий выдерживать нагрузки, связанные с ходьбой и бегом. Но есть другая, менее очевидная арка. Кости в середине стопы, называемые плюсневыми костями, расположены по кривой по всей ширине стопы. Этот изгиб, называемый поперечным сводом, возможно, развился более чем 3,4 миллиона лет назад – когда древние гоминиды приобрели способность ходить и бегать на двух ногах в отличие от других приматов.
У человеческих ног есть две арки, которые помогают людям ходить прямо. Одна арка проходит вдоль внутренней части стопы (красная пунктирная линия), а другая, поперечная лапка, пересекает верхнюю часть стопы (сплошная синяя линия)
© M. Venkadesan
Ученые знали, что продольный свод делает стопу более крепкой благодаря форме арки и эластичным тканям, растягивающимся под ней, как лук и тетива. Насколько поперечный свод укреплял стопу, было неизвестно.
Роль, которую играет поперечный свод в жесткости стопы, можно описать, если взглянуть, что происходит, когда лист бумаги несколько скручен. «Держите [долларовую купюру] пальцами за один конец ее длинного края, и она падает, — говорит Мадхусудхан Венкадесан — инженер-механик из Йельского университета. — Но надавите большим пальцем, чтобы немного скрутить его по ширине, и купюра станет более жесткой и распрямленной».
Знание того, как человеческие ноги развивались, чтобы ходить и бегать, может помочь экспертам разработать усовершенствование протезирование или лечить людей с плоскостопием. Например, большинство протезов ног предназначены для ходьбы. Тем, кто хочет бегать, нужно что-то другое — жесткий протез в форме клинка.
Это исследование «волнительно для тех из нас, кто живет и умирает ради эволюции стоп», — говорит Патриция Крамер — палеобиомеханик из Вашингтонского университета в Сиэтле, которая не участвовала в работе. Исследование является отличным примером сочетания традиционной биологической антропологии с инженерными принципами для лучшего понимания аспектов работы стопы, говорит она.
Венкадесан и его коллеги проверили жесткость трех типов изогнутых конструкций, включая тонкий лист, механические конструкции, имитирующие ноги, и две стопы умерших людей, и обнаружили, что поперечная арка делает материалы более жесткими. Когда исследователи разрезают ткани между костями, жесткость стопы снижается на 54 процента.
Хотя ясно, что поперечная арка важна для жесткости стопы, степень этой важности требует дальнейшего изучения, — говорит Крамер. Например, эксперименты с механической имитацией человеческих ступней не учитывают части ступни, которые касаются земли — детали, которые могут быть важны при расчете общей жесткости ступни, говорит она. — Модифицированная нога человека не говорит вам, как работала нога гоминида, но ее можно использовать для проверки модели, которая затем модифицируется для представления ступни гоминида».
Исследователи также изучили останки скелета и окаменелости древних человеческих предков, ища первое появление изогнутых сводов стоп. Нечеловеческие приматы, такие как шимпанзе — и, вероятно, их последний общий предок с людьми — имеют гораздо более плоские ноги, чем люди. Но около 3,4 миллиона лет назад в стопе неизвестного человеческого предка возникла поперечная арка, похожая на человеческую.
Появление этой центральной арки «вероятно, сыграло большую роль в том, что мы стали двуногими, — говорит Венкадесан. Эта структура «добавляет необходимый ингредиент для прочности человеческих стоп».
Статья опубликована в журнале Nature
Источник: scientificrussia.ru
