Люди эволюционировали, чтобы ходить с дополнительной «пружиной» в стопе

Новое исследование показало, что у людей могла развиться пружиноподобная арка (свод) стопы, чтобы помочь ходить на двух ногах. Ранее считалось, что приподнятый свод стопы помогает при ходьбе, действуя как рычаг, который толкает тело вперед.

Однако международная группа ученых обнаружила, что отдача (рекуперация энергии) гибкого свода возвращает голеностопный сустав в вертикальное положение для более эффективной ходьбы. Эффект при беге еще больше, что позволяет предположить: способность эффективно бегать могла быть фактором эволюционного отбора в пользу гибкого свода, который также сделал ходьбу более эффективной. Это открытие может помочь врачам улучшить лечение проблем со стопами у современных пациентов.

«Мы изначально думали, что пружиноподобный свод помогает поднять тело для следующего шага. Оказывается, вместо этого пружинный свод отдает энергию, помогая голеностопу поднять тело», — заявила ведущий автор исследования в Frontiers in Bioengineering and Biotechnology доктор Лорен Уэлте.

Эволюция прямохождения

Эволюция наших стоп, включая приподнятый медиальный свод, отличающий нас от человекообразных обезьян, имеет решающее значение для двуногой ходьбы. Считается, что свод дает гомининам большее преимущество при ходьбе в вертикальном положении. Точный механизм не был ясен, но известно, что при ограничении подвижности свода бег требует больше энергии. Отдача свода потенциально может сделать нас более эффективными бегунами, либо продвигая центр масс тела вперед, либо компенсируя механическую работу, которую в противном случае должны были бы выполнять мышцы.

Для проверки этих гипотез команда отобрала семерых участников с разной подвижностью свода стопы. Их ходьбу и бег снимали высокоскоростные рентгеновские камеры захвата движения. Измерили высоту свода каждого участника и выполнили КТ-сканирование их правых стоп.

Ученые создали жесткие модели и сравнили их с измеренным движением костей стопы, чтобы проверить влияние подвижности свода на соседние суставы. Они также измерили, какие суставы вносят наибольший вклад в отдачу свода, и вклад этой отдачи в движение центра масс и продвижение голеностопа.

Ключевая роль гибкости

Хотя ученые ожидали, что отдача свода поможет жесткому рычагу арки поднять тело, они обнаружили, что жесткий свод без отдачи либо заставлял стопу слишком рано отрываться от земли (вероятно, снижая эффективность икроножных мышц), либо наклонял кости голеностопа слишком далеко вперед.

Такой наклон вперед напоминает позу ходящих шимпанзе, а не вертикальную стойку, характерную для походки человека. Гибкий свод помогал вернуть голеностоп в вертикальное положение, что позволяет ноге более эффективно отталкиваться от земли. Этот эффект еще больше при беге, что позволяет предположить, что эффективный бег мог быть эволюционным давлением в пользу гибкого свода.

Ученые также обнаружили, что сустав между двумя костями медиального свода — ладьевидной и медиальной клиновидной — имеет решающее значение для гибкости арки. Изменения в этом суставе могут помочь отследить развитие двуногого передвижения в летописи окаменелостей гомининов.

«Подвижность наших стоп, по-видимому, позволяет нам ходить и бегать вертикально, а не наклоняться вперед или слишком рано отталкиваться для следующего шага», — сказал старший автор исследования доктор Майкл Рэйнбоу из Университета Квинс.

Терапевтический потенциал

Эти выводы также предполагают новые терапевтические подходы для людей, чьи своды стопы стали жесткими из-за травмы или болезни: поддержка гибкости свода может улучшить общую подвижность.

«Наша работа предполагает, что позволение своду двигаться во время толчка делает движение более эффективным. Если мы ограничим движение свода, вероятно, произойдут соответствующие изменения в функционировании других суставов», — отметила Уэлте.

«На данном этапе наша гипотеза требует дальнейшей проверки, потому что нам необходимо убедиться, что различия в подвижности стопы среди населения приводят к тем же изменениям, что мы видим в нашей ограниченной выборке. Тем не менее, наша работа закладывает основу для нового увлекательного направления исследований», — заключил Рэйнбоу.