哥倫比亞麥德林，少年們正在練習(xí)花樣游泳。
攝影：KIKE CALVO, NAT GEO IMAGE COLLECTION
撰文：SARAH ELIZABETH RICHARDS
一百多年來，進(jìn)化生物學(xué)家一直對(duì)人類的足部嘆為觀止：它們不僅精巧的設(shè)計(jì)，而且能讓直立行走毫不費(fèi)力。比如，短短的腳趾帶來了長(zhǎng)距離奔跑的能力。
2月26日發(fā)表于《自然》雜志的一篇論文把目光投向了其中的一部分：足弓，即凸向上方的弓形結(jié)構(gòu)，它在人類活動(dòng)過程中發(fā)揮的作用比之前想象的更大。專家表示，這一發(fā)現(xiàn)加深了我們對(duì)足部生物力學(xué)的了解，科學(xué)家可以據(jù)此制造出更精確的機(jī)械肢和假肢，骨科醫(yī)生能更好地治療足部疾病，設(shè)計(jì)師也許會(huì)帶來更好的鞋子設(shè)計(jì)。
在法國(guó)的一座莊園里，當(dāng)?shù)厝苏谠佻F(xiàn)古法釀酒的過程。
攝影：BRIAN FINKE, GETTY IMAGES VIA NAT GEO IMAGE COLLECTION
來自美國(guó)、日本和英國(guó)的研究團(tuán)隊(duì)表示，現(xiàn)代人類足部40%的剛度來自一種被稱為“跗骨橫弓”的結(jié)構(gòu)（一道穿過腳面的橫向曲線），而它的作用以前被低估了。這個(gè)橫弓與足底更著名的內(nèi)側(cè)縱弓一起，共同構(gòu)成了獨(dú)特的足部剛度，讓我們?cè)谧呗窌r(shí)不會(huì)摔倒，并把人類和其他靈長(zhǎng)動(dòng)物區(qū)分開來，后者需要更靈活的腳攀住樹枝。
研究首席著者、耶魯大學(xué)的機(jī)械工程和材料科學(xué)助理教授Madhusudhan Venkadesan說：“我們很驚訝它會(huì)有這樣的效果。關(guān)于腳的形狀與剛度的關(guān)系，一直有不少爭(zhēng)議，但主要集中在內(nèi)側(cè)縱弓（從球狀部位到腳跟的一道長(zhǎng)弧）。”
在塞內(nèi)加爾胡安·安東尼奧·薩馬蘭奇體育館非洲奧林匹克中心，足球賽即將開始。
攝影：TINO SORIANO, NAT GEO IMAGE COLLECTION
在新加坡植物園，一群中年人正在鍛煉身體。
攝影：CORY RICHARDS, NAT GEO IMAGE COLLECTION
足弓的彎曲與足部剛度之間的關(guān)系很好理解，想象一下你手里抓著一張一美元紙幣。把它鋪平，稍微卷一下長(zhǎng)邊，讓中間彎曲起來，就像一條管道或公路隧道。這樣就形成了一個(gè)縱向的拱形，用手指推推這個(gè)拱形的中央，你會(huì)感覺到有某種阻力或剛度。Venkadesan的團(tuán)隊(duì)希望證明，我們的足部也存在相似的原理；這也解釋為什么披薩疊起來后，會(huì)不那么松軟。
“我們要想辦法在腳上檢驗(yàn)這個(gè)想法?！彼f。
于是他們?cè)O(shè)計(jì)了一系列實(shí)驗(yàn)，在兩具人類尸體的腳上進(jìn)行了彎曲測(cè)試。在活人身上，我們很難區(qū)分橫弓的作用，因?yàn)樗倳?huì)與腳的其他部分協(xié)同運(yùn)作。但在尸體上，研究人員可以移除跖骨之間的彈性組織，從而直接測(cè)量足弓對(duì)足部剛度的影響。
下一步是了解橫弓在人類進(jìn)化中所起的作用。Venkadesan的團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一個(gè)數(shù)學(xué)模型，通過對(duì)比現(xiàn)代人的足弓與已滅絕的古人類的化石，重建人類足部的歷史。
不出所料，橫弓的出現(xiàn)是直立行走的重要一環(huán)。橫弓在其他古人類身上出現(xiàn)的時(shí)間，比現(xiàn)代人類腳踏大地要早300多萬年。接下來是內(nèi)側(cè)縱弓，準(zhǔn)確地說，它出現(xiàn)在180萬年前。這對(duì)組合帶來了必要的剛度，跑馬拉松和跳躍因此成為可能。
專家表示，新研究意義重大，因?yàn)檫@是我們首次量化橫弓的剛度。
主動(dòng)式踝關(guān)節(jié)假肢里的電動(dòng)彈簧可以像真腿一樣運(yùn)動(dòng)。
攝影：MARK THISESSEN, NAT GEO IMAGE COLLECTION
紐約布法羅大學(xué)的人類學(xué)助理教授Nicholas Holowka一直在研究人類足部的進(jìn)化。他說：“我們很早就知道橫弓的存在，但一直沒有辦法測(cè)量，因此不知道它對(duì)腳的整體功能的影響。這項(xiàng)研究極大地拓展了我們的認(rèn)知：足部獨(dú)特的形狀讓我們獲得了雙足行走的能力。”
那么，這項(xiàng)研究對(duì)于扁平足的人有什么意義？事實(shí)上，橫弓是默默支撐身體的無名英雄。
扁平足內(nèi)側(cè)縱弓塌陷，會(huì)給對(duì)身體其他部分帶來壓力，導(dǎo)致足痛。軍方曾因此拒絕扁平足的人入伍。
但Venkadesan的研究揭示了為什么大部分扁平足的人并沒有遇到慢性疼痛或受傷，Holowka 說。
“想象一下，扁平足的人縱弓較低，但因?yàn)闄M弓相對(duì)較高，所以腳仍有一定的剛度，” Holowka補(bǔ)充說，未來的研究將檢測(cè)扁平足的程度與橫弓之間的關(guān)聯(lián)。他還表示會(huì)找到量化橫弓彎曲的方法，從而更好地了解足痛，這可能是制造矯正器的關(guān)鍵所在。
澳大利亞圣盧西亞昆士蘭大學(xué)的生物力學(xué)副教授Glen Lichtwark表示，未來其他研究應(yīng)當(dāng)著眼于人類橫弓的解剖范圍，從而找出高曲率和高剛度之間的相關(guān)性。
Lichtwark說：“你可能曲率高，但在其他地方有一個(gè)折衷?；蛘呶覀兛梢杂貌煌姆绞秸{(diào)用肌肉。目前我們還不知道真實(shí)情況。”
時(shí)代廣場(chǎng)，黃色出租車、紅色高跟鞋和女人的腿組成了一道風(fēng)景。
Lichtwark與他人合著的論文發(fā)表在《自然》雜志上，他表示，這項(xiàng)研究對(duì)于足部保健有著實(shí)際意義，包括設(shè)計(jì)機(jī)械肢和假肢，解釋為什么矯形外科手術(shù)可以減輕一些病人的痛苦，卻對(duì)另一些人無效。未來，鞋店的員工可能只要掃描一下你的腳，就能根據(jù)整體結(jié)構(gòu)給出適合你的個(gè)性化推薦。
“這項(xiàng)研究為我們帶來了思考足部復(fù)雜結(jié)構(gòu)的另一個(gè)維度，”Lichtwark說：“它強(qiáng)調(diào)足部是三維，我們要以此為出發(fā)點(diǎn)展開思考?！?/p>
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