Ходьба с опорой на пятку дала людям преимущество, но ценой определенных издержек

Фото из открытых источников

Одна из уникальных особенностей человека, возможно, сыграла роль в способности наших предков преодолевать большие расстояния: ходьба с опорой на пятку. Исследователи из Университета штата Пенсильвания показали, что ходьба с опорой на пятку позволяет людям тратить меньше энергии во время движения, но при этом вызывает гораздо более сильные ударные нагрузки на ногу. Этот двойной эффект мог повлиять на анатомию, экологию и эволюцию ранних гомининов.

В ходе эксперимента сравнивали трех шимпанзе с 12 здоровыми людьми, результаты которого были недавно опубликованы в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences. В эксперименте использовались высокоскоростные камеры и силовые платформы для фиксации момента соприкосновения стоп с землей. Кроме того, за участниками исследования наблюдали, чтобы измерить расход энергии во время обычной ходьбы с опорой на пятку и ходьбы с опорой на среднюю часть стопы. Результаты показали, что ходьба с опорой на среднюю часть стопы потребляла на 26,1–40,8% больше энергии, чем традиционная ходьба с опорой на пятку.

Это сравнение опровергает предположение о том, что стиль приземления человеческой стопы является точной копией стиля других человекообразных обезьян. Все измеренные шаги человека начинались с пятки, в узком диапазоне углов наклона стопы, в то время как шимпанзе переходили от контакта пятки к контакту средней части стопы и значительно варьировали угол от шага к шагу. Эта изменчивость напоминает мозаичную анатомию, на которую указывают такие окаменелости, как останки ребенка из Дикики, демонстрирующие, как особенности, облегчающие ходьбу, могут сосуществовать с приспособлениями для лазания.

Повышение эффективности произошло неожиданно. В эксперименте с современными людьми удары пяткой при ходьбе приводили к пиковым значениям ударной нагрузки на 168–206 процентов выше, а максимальные нагрузки — на 121–162 процента выше, чем при ударах средней частью стопы, хотя максимальная вертикальная сила практически не изменялась. Автор исследования Николас Холовка сказал, что приземление на пятку — это «уникальный аспект человеческой ходьбы, который, возможно, недооценивался», добавляя новую деталь к долгой истории двуногого передвижения.

Исследование, опубликованное в 2016 году в журнале Journal of Experimental Biology, помогает объяснить эту экономию. Начало ходьбы с пятки приводит к тому, что центр давления смещается вперед, под стопу, тем самым увеличивая эффективную длину ноги по мере продвижения тела вперед на носки. В ходе экспериментов с участием 14 испытуемых исследователи связали увеличение эффективной длины ноги с более быстрой и экономичной ходьбой, хотя прямое измерение энергетических затрат этого процесса не представлялось возможным, поэтому результаты были основаны на приблизительных оценках.

Тем не менее, вероятно, что ранним гомининам приходилось мириться с механическими недостатками ходьбы с опорой на пятки. Авторы исследования, представленного в PNAS, предполагают, что в процессе эволюции произошло увеличение размеров пяток и укрепление суставов нижних конечностей для противостояния ударам, что в конечном итоге сделало возможной ходьбу с опорой на пятки и носки. Подобная эволюция могла уже наблюдаться у таких видов, как Homo erectus, в то время как более ранние виды, такие как Australopithecus afarensis, вероятно, демонстрировали переходный тип ходьбы с опорой на пятки и носки.

Древние отпечатки ног свидетельствуют о том, что наши предки ходили на двух ногах. Отпечатки из Лаетоли, датируемые 3,6 миллионами лет назад, показывают человекоподобный способ передвижения по вулканическому пеплу, в то время как окаменелости Данувиуса указывают на то, что ходьба на двух ногах возникла в результате сложного сочетания различных признаков. Однако исследователи из PNAS утверждают, что одного отпечатка недостаточно для объяснения точной механики соприкосновения стопы с землей без дополнительных экспериментальных подтверждений.

Следует отметить и другие ограничения, касающиеся результатов исследования. Основной набор данных был собран всего от трех обученных самцов шимпанзе, содержащихся в неволе. Кроме того, добровольцам, участвовавшим в исследовании, пришлось имитировать незнакомый биомеханический процесс, отличающийся от передвижения вымершего животного. Тем не менее, исследование заменяет простую историю о вертикальной позе более жестким эволюционным компромиссом: ходьба с опорой на пятки делала каждый километр дешевле, но только тела, способные поглощать удар, могли в полной мере использовать это преимущество.