Долгое время упускаемая из виду дуга стопы — ключ к её эволюции и функции

Долгое время упускаемая из виду часть человеческой стопы является ключевой для её работы, эволюции и нашей способности ходить и бегать, заявила группа исследователей под руководством Йельского университета.

Это открытие опровергает почти столетие устоявшихся представлений о человеческой стопе и может открыть новые направления для исследований в эволюционной биологии, а также помочь в разработке роботизированных и протезных стоп.

Открытие, сделанное международной группой исследователей под руководством инженера Йеля Мадхусудана Венкадесана, опубликовано 26 февраля в журнале Nature. Команду совместно возглавляли Венкадесан, Шреяс Мандре из Уорикского университета и Махеш Банди из Окинавского института науки и технологий (OIST).

При ходьбе и беге передняя часть каждой стопы многократно отталкивается от земли с силой, в несколько раз превышающей вес тела. Несмотря на эти нагрузки, стопа сохраняет форму, не сильно изгибаясь. Такие жёсткие стопы — уникальные для человека среди приматов — были важны для эволюции двуногого передвижения.

Что делает человеческую стопу такой жёсткой? Согласно устоявшемуся мнению, в основном — продольный свод стопы. Этот свод идущий от пятки к передней части стопы, усилен эластичными тканями под ним. Свод и ткани создают структуру «лук и тетива», которая почти столетие считалась главным источником жёсткости стопы.

Однако в стопе есть второй свод, проходящий по ширине средней части стопы, известный как поперечный свод. Венкадесан и его коллеги исследовали ранее не изучавшийся поперечный свод. Они провели серию экспериментов, используя механические модели стопы, стопы человеческих трупов и образцы ископаемых останков давно вымерших предков и родственников человека (гоминин). Их результаты показывают, что поперечный свод является основным источником жёсткости стопы.

Принцип важности поперечного свода можно продемонстрировать на примере купюры. Возьмите долларовую банкноту, держите её за один конец — она провисает. Но прижмите большим пальцем, придав купюре кривизну, — она станет жёсткой и прямой.

«Такой же эффект работает и в стопе», — сказал Венкадесан, доцент кафедры машиностроения и материаловедения. «Это не так просто, как с листом бумаги, потому что в стопе много других тканей и структур, но принцип оказывается тем же».

С помощью математического анализа и экспериментов они выяснили механический принцип, по которому кривизна создаёт жёсткость: изгиб криволинейной структуры заставляет материал также растягиваться. Даже тонкий лист бумаги довольно жёсткий, если попытаться его растянуть. Поперечная кривизна задействует эту «растягивающую» жёсткость, чтобы укрепить всю структуру.

Поскольку стопа — сложная, многофункциональная структура, невозможно изменить только поперечный свод для проверки теории, не затронув другие части. Поэтому, используя эксперименты на механических моделях стопы, исследователи придумали новый способ проверить, работает ли поперечный свод так же в реальных человеческих стопах.

«Мы обнаружили, что поперечные «пружины», имитирующие ткани, проходящие по ширине стопы, имеют решающее значение для жёсткости, создаваемой кривизной», — сказал Али Явар, аспирант лаборатории Венкадесана. «Поэтому мы ожидали, что жёсткость уменьшится в реальных человеческих стопах, если мы удалим поперечные ткани, оставив всё остальное нетронутым».

Вместе со Стивеном Томмазини, научным сотрудником Йельской школы медицины, они провели эксперименты на стопах трупов человека.

«Мы обнаружили, что поперечный свод, действуя через поперечные ткани, отвечает почти за половину жёсткости стопы, что значительно больше, чем вклад продольного свода», — сказала Кэролайн Энг, научный сотрудник лаборатории Венкадесана.

Эти результаты также могут объяснить, как Australopithecus afarensis возрастом 3,66 миллиона лет (тот же вид, что и ископаемая Люси) мог ходить и оставлять след, похожий на человеческий, несмотря на отсутствие явного продольного свода. Совместно с Эндрю Хеймсом, профессором Йельской школы медицины, исследователи разработали новую технику измерения поперечной кривизны с использованием частичных скелетов стопы. Применив эту технику к образцам окаменелостей, включая A. afarensis, они проследили, как поперечный свод эволюционировал у ранних гоминин.

«Наши данные свидетельствуют о том, что поперечный свод, похожий на человеческий, мог развиться более 3,5 миллионов лет назад — за целых 1,5 миллиона лет до появления рода Homo — и был ключевым шагом в эволюции современного человека», — сказал Венкадесан.

Эти открытия также открывают новые направления для мысли в области подологии, эволюционной биологии и робототехники.