是什么使得鴕鳥成為了陸地上的長(zhǎng)跑冠軍？尼娜-夏勒博士花了近十年的時(shí)間調(diào)查研究，終于揭開了秘密。鷹擊長(zhǎng)空，魚翔淺底，萬(wàn)類霜天競(jìng)自由。當(dāng)我們欣賞翱翔的海鷗，潛水的企鵝時(shí)，我們很少考慮到，這些戴羽毛的動(dòng)物，其實(shí)與我們?nèi)祟惞餐瑩碛幸豁?xiàng)非常罕見的特質(zhì)- 鳥類和我們?nèi)祟愂堑厍蛏衔ㄒ徽嬲績(jī)勺阋苿?dòng)的動(dòng)物
為什么鴕鳥能跑得這么快？
reader666666翻譯
是什么使得鴕鳥成為了陸地上的長(zhǎng)跑冠軍？尼娜-夏勒博士花了近十年的時(shí)間調(diào)查研究，終于揭開了秘密。
鷹擊長(zhǎng)空，魚翔淺底，萬(wàn)類霜天競(jìng)自由。當(dāng)我們欣賞翱翔的海鷗，潛水的企鵝時(shí)，我們很少考慮到，這些戴羽毛的動(dòng)物，其實(shí)與我們人類共同擁有一項(xiàng)非常罕見的特質(zhì)- 鳥類和我們?nèi)祟愂堑厍蛏衔ㄒ徽嬲績(jī)勺?/span>移動(dòng)的動(dòng)物。而大多數(shù)其他的動(dòng)物，靠得是四條，六條或更多條的腿,在陸地上移動(dòng)。
進(jìn)化已經(jīng)從兩個(gè)方面解決了兩條腿在地面移動(dòng)的挑戰(zhàn)：人類靠的是足，當(dāng)我們走路或跑步時(shí)， 我們把整個(gè)腳部壓在地面上，而鳥類靠的是趾，它們走路用自己的腳趾。
一些鳥類物種，不僅可以跑得比人類更快，而且速度甚至可以超過它們會(huì)飛行的同類。陸地上最快的長(zhǎng)跑動(dòng)物是非洲鴕鳥。它們可以不停地以每小時(shí)60公里，最高時(shí)速甚至超過每小時(shí)70公里的速度奔跑，在40分鐘里跑完42公里的奧運(yùn)會(huì)馬拉松比賽，而人類則需要花上兩個(gè)多小時(shí)。(國(guó)際田聯(lián)2004年宣布，埃塞俄比亞選手格布雷西拉西耶為男子馬拉松的世界紀(jì)錄保持者，成績(jī)?yōu)?/span>2小時(shí)03分59秒；英國(guó)選手拉德克里夫被正式認(rèn)定為女子馬拉松的世界紀(jì)錄保持者，成績(jī)?yōu)?/span>2小時(shí)15分25秒。)這種無與倫比的速度和耐力的結(jié)合，使鴕鳥能夠很快地跑很遠(yuǎn)的距離，以便尋找新的牧場(chǎng)，讓饑餓的鬣狗望塵莫及。
長(zhǎng)期以來，科學(xué)家們一直在探索動(dòng)物在地面上運(yùn)動(dòng)的秘密，特別是狗和賽馬的奔跑能力。然而，通常對(duì)飛禽的運(yùn)動(dòng)模式的研究，往往集中在探索飛行動(dòng)力學(xué)方面，而較少關(guān)注那些善于奔跑的禽類物種。
我在2002年完成生物學(xué)學(xué)位以后，到德國(guó)法蘭克福動(dòng)物園做義工。在那里，鴕鳥無與倫比的奔跑能力，讓我著迷，于是決定調(diào)查研究一番。我的博士論文研究的基本假設(shè)是，鴕鳥的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)以極高的效率對(duì)地面做功，使運(yùn)動(dòng)輸出能量，既速度和耐力，最大化，同時(shí)使自身肌肉消耗和新陳代謝所需的能量最少化。
為了檢驗(yàn)這個(gè)假設(shè)，我決定研究鴕鳥運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的形式和功能。通過解剖鴕鳥，我尋找可能會(huì)降低運(yùn)動(dòng)時(shí)新陳代謝成本的特殊的肢體結(jié)構(gòu)。同時(shí)，我還研究活的鴕鳥的生物力學(xué)，探索它們?cè)谶\(yùn)動(dòng)時(shí)，各種物理力如何與它們的解剖學(xué)結(jié)構(gòu)進(jìn)行相互作用。
為了近距離地觀察它們自然的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，我親手在一個(gè)大型戶外圍場(chǎng)里孵養(yǎng)了三只鴕鳥。四年多，我讓它們習(xí)慣于我的存在，以及為它們做實(shí)驗(yàn)的跑道。要知道，跟鴕鳥們的相互信任是至關(guān)重要的，如果惹惱了它們，它們可以一蹄子踹死一只獅子。
長(zhǎng)而輕的腿讓速度最大化
陸地上奔跑的動(dòng)物，靠增加步幅長(zhǎng)度和加快擺腿頻率來提高速度。更長(zhǎng)的腿可以擺動(dòng)得更遠(yuǎn)，如果腿部的肌肉塊更靠近身體重心，擺動(dòng)腿的節(jié)奏就可以更快一些，就像擺動(dòng)節(jié)拍器那樣，可調(diào)重量越接近支點(diǎn)，擺動(dòng)的節(jié)奏就越快。
圖1：腿上各段的長(zhǎng)度的比較，N表示檢驗(yàn)的標(biāo)本數(shù)量。
腿的各段擺動(dòng)部分相對(duì)長(zhǎng)度：大腿骨為深藍(lán)色；脛骨為淡藍(lán)色；跗跖骨為淡橙色；主腳趾為暗橙色。從左到右依次為:非洲鴕鳥(Ostrich)，美洲鴕鳥(Greaterrhea)，達(dá)爾文南美鴕鳥(Daewin'srhea)，鴯鹋（emu)，食火雞(Cassowary)，幾維鳥(Kiwi)，走鵑(Roadrunner)。
為了研究這一原理，對(duì)于居住在地面的能快速奔跑的各種鳥類，我比較了它們腿上各段的長(zhǎng)度（圖1）和肌肉質(zhì)量的分布。在所有走禽類，鴕鳥擁有相對(duì)其身體大小最長(zhǎng)的腿，并擁有最長(zhǎng)的奔跑步幅長(zhǎng)度-每步約5米。此外，與其它鳥類相比，鴕鳥腿部肌肉的大部分，更集中在大腿骨和髖骨的較高的位置上，而腿上較低的擺動(dòng)部分則比較輕盈，由長(zhǎng)而少肉的肌腱拉動(dòng)（圖2）。這樣的優(yōu)化安排，讓鴕鳥的腿能夠更有效地以大步長(zhǎng)和高步頻進(jìn)行快速奔跑。
圖2：人和鴕鳥之間腿的解剖學(xué)比較。鴕鳥的位于踝關(guān)節(jié)和腳趾之間的跗跖骨，比人類的跗跖骨長(zhǎng)得多，其功能相當(dāng)于人類的小腿脛骨。鴕鳥的踝關(guān)節(jié)的高度與我們的膝蓋在同一高度水平上，這就解釋了，為什么鴕鳥的膝蓋會(huì)出現(xiàn)向后方的彎曲。鴕鳥真正的膝關(guān)節(jié)，隱藏在羽毛下，而且永久地彎曲著。膝關(guān)節(jié)通過短而水平布置的大腿骨，
連接到髖關(guān)節(jié)上。圖2的紅色線連接人類和鴕鳥在解剖學(xué)上相同的關(guān)節(jié)，綠線連接人類和鴕鳥在實(shí)際功能上等效的關(guān)節(jié)。鴕鳥的肌肉都集中在腿的上方，而在較低的部位，以長(zhǎng)肌腱為主。黃色陰影部分顯示出主要肌肉的分布，藍(lán)線表示主要肌腱的位置。
穩(wěn)定的關(guān)節(jié)使耐力最大化
大范圍的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，使人類能夠爬樹，跳芭蕾舞，但是，這種靈活性是有代價(jià)的。奔跑時(shí)，我們使用肌肉力量向前推進(jìn)，而且同時(shí)也使用肌肉力量，來防止關(guān)節(jié)發(fā)生側(cè)向運(yùn)動(dòng)。因此，走同樣一段給定的距離，我們?nèi)祟惐仨毟冻龈嗟哪芰?。我懷疑，鴕鳥有一個(gè)更有效而省力的方法。跟消耗能量的肌肉和肌腱不同，韌帶的作用就像一個(gè)“關(guān)節(jié)套”，限制關(guān)節(jié)的側(cè)向運(yùn)動(dòng)而無需消耗任何能量。為了證明這個(gè)工作原理，我從不同的角度拍攝奔跑的鴕鳥，記錄它們腿的運(yùn)動(dòng)和范圍。我在一只完整的死鴕鳥身上，再重復(fù)這些動(dòng)作，最后，我用一只解剖后的，去除所有肌肉和肌腱的，只剩下骨骼和關(guān)節(jié)韌帶的鴕鳥腿，再重復(fù)這些動(dòng)作。活的和死的鴕鳥標(biāo)本的側(cè)向運(yùn)動(dòng)范圍幾乎是相同的。相反，在人身上，特別是在必須以肌肉運(yùn)動(dòng)來穩(wěn)定的髖關(guān)節(jié)上，類似的側(cè)向運(yùn)動(dòng)范圍的比較，揭示出一個(gè)巨大的差異。我的測(cè)量結(jié)果表明，韌帶是保證鴕鳥腿大步前進(jìn)而不發(fā)生側(cè)向扭轉(zhuǎn)的最主要的元件，韌帶允許鴕鳥以其全部肌肉的力量只管向前推進(jìn)，不必顧及其他。
在擺弄解剖的鴕鳥腿時(shí)，我又有了進(jìn)一步的新發(fā)現(xiàn)。當(dāng)試圖彎曲踝關(guān)節(jié)時(shí)，我發(fā)現(xiàn)必須使勁地克服一些阻力- 在一條沒有生命沒有肌肉的肢體上，這可是個(gè)意外的發(fā)現(xiàn)。當(dāng)我解開鴕鳥關(guān)節(jié)時(shí)，它突然回彈到一個(gè)更遠(yuǎn)的位置，這表明，鴕鳥關(guān)節(jié)韌帶似乎在被動(dòng)地拉長(zhǎng)著鴕鳥的腿。為了驗(yàn)證這一猜想，我在一條解剖的鴕鳥腿上面，逐漸地向下加壓力，發(fā)現(xiàn)需要以14公斤的向下力量，才能把踝關(guān)節(jié)壓塌成圖3彎曲的模樣。這說明，鴕鳥在步行或跑步時(shí)，兩條腿上一共有28公斤的重量，不需要鴕鳥的肌肉消耗能量來提供主動(dòng)的支持。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，利用韌帶作為被動(dòng)的腿部穩(wěn)定機(jī)制，是一個(gè)極好的節(jié)約代謝能量，保持運(yùn)動(dòng)耐力的策略。
圖3：實(shí)驗(yàn)顯示踝關(guān)節(jié)韌帶的被動(dòng)地向上支持重量的能力。綠色是踝關(guān)節(jié)兩側(cè)的骨突起的輪廓。（圖中只顯示了一條左腿）。當(dāng)關(guān)節(jié)完全伸直時(shí)（168度），兩側(cè)的韌帶（紅色）拉緊，因?yàn)樗鼈円苿?dòng)到了關(guān)節(jié)突起的外側(cè)，而穩(wěn)定了關(guān)節(jié)。當(dāng)鴕鳥的腳趾抬離地面，踝關(guān)節(jié)屈曲成140度，韌帶（橙色)可以自由地圍繞關(guān)節(jié)突起進(jìn)行滑動(dòng)，穩(wěn)定機(jī)制被解除了。
圖4：鴕鳥的右腳趾。上邊從左到右依次為：普通站立姿勢(shì)以及外側(cè)小支的腳趾；腳趾的骨骼（紅色箭頭指示抬高的趾關(guān)節(jié)）。下邊是腳趾從下向上面看的仰視圖；以及腳趾從上向下面看的俯視圖。
腳趾與地面的接觸
我們已經(jīng)看到，輕盈的四肢是快速高效運(yùn)動(dòng)的前提。鴕鳥做到這一點(diǎn)，靠的是把腿部肌肉塊，集中到髖關(guān)節(jié)附近。另一個(gè)進(jìn)一步減少鴕鳥小腿質(zhì)量的策略，是改造腳趾的形態(tài)和位置。這一觀察也可以適于其它的陸地行走動(dòng)物，例如馬，從有五個(gè)趾的祖先馬，進(jìn)化到以中間腳趾的趾甲(蹄)來馳騁的現(xiàn)代馬。鴕鳥也經(jīng)歷了類似的演變，雖然大多數(shù)鳥類有四個(gè)腳趾，多數(shù)大型的不會(huì)飛的鳥只有三個(gè)腳趾，但是，鴕鳥在陸地行走的鳥中，更是獨(dú)一無二的，它們只有兩個(gè)腳趾。此外，它是唯一用腳趾尖行走的鳥。
我不知道這些現(xiàn)在還存活著的，最大最重的鳥，是如何設(shè)法以腳趾尖，在高速奔跑中保持平衡和抓地的。由于沒有現(xiàn)成的研究活禽腳趾功能的方法，我只好借用骨科醫(yī)生通常用來分析人類雙腳壓力分布的壓力板。我訓(xùn)練我的鴕鳥，在壓力板上奔跑和行走，采集鴕鳥腳接觸地面時(shí)，其壓力發(fā)布的高分辨率實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)表明，大腳趾支持了大部分的體重，而小腳趾作為支腿，用來防止鴕鳥奔跑時(shí)失去平衡，尤其是在緩慢行走時(shí)保持平衡。
在高速奔跑時(shí)，鴕鳥腳趾的軟底部分，減緩了沖擊力，而腳趾的形態(tài)姿勢(shì)所起的作用，就像一個(gè)額外的減震器（見圖4中的紅色箭頭）。站立時(shí)，趾爪僅僅輕微地接觸地面，但奔跑時(shí)趾爪給地面施加的壓力，可達(dá)每平方厘米40公斤。在鴕鳥用最少的能量，以最高每小時(shí)70公里速度狂奔時(shí)，趾爪像釘子鞋一樣穿透地面，確保足夠的抓地能力，非常適合在非洲大草原的平坦地面上的耐力跑（圖5）。
圖5：鴕鳥腳趾的壓力負(fù)載分布輪廓記錄。紅色區(qū)域表明非常高的負(fù)荷，深藍(lán)色表示輕微的負(fù)載。
實(shí)際應(yīng)用
我的研究，對(duì)于回答鴕鳥為什么能跑這么快，為什么能跑這么長(zhǎng)時(shí)間的問題上，已經(jīng)做了不少貢獻(xiàn)，提高了我們的認(rèn)識(shí)?，F(xiàn)在，我們理解了這些被六千萬(wàn)年的演變所完善的，生物力學(xué)的策略，我們也許能夠在諸如雙足機(jī)器人，懸掛系統(tǒng)，以及關(guān)節(jié)穩(wěn)定工程等等現(xiàn)代技術(shù)中，采用這些策略。我的發(fā)現(xiàn)目前已經(jīng)啟發(fā)了一些開發(fā)人員，利用鴕鳥腿和腳趾的特點(diǎn)，開發(fā)出“智能”的人類假肢，這可能使截肢者和殘障人士擁有更廣泛的行動(dòng)能力和自由。
聯(lián)系客服
