動物界里最能跑的,其實是在用腳指甲飛馳

2019-10-06 10:05 來源:澎湃新聞·澎湃號·湃客

字號
原創: SME SME科技故事
最近,減壓小視頻界又發現了新寶藏——修馬蹄。
視頻里的技師先用大鉗子硬聲拔下釘在馬蹄上的馬蹄鐵,然后再用刮刀等工具把陳舊的馬蹄修得鮮嫩靚麗,露出淺色的內層組織。有些不明所以的觀眾可能會覺得實在太殘忍,看著這么痛的視頻還能減壓?
是啊,如果你是馬,有人往你的腳掌上釘釘子怎么可能會受得了,可是再一想,視頻里的馬好像也沒有任何反抗,究竟是為什么?
因為標題已經劇透了,所以你肯定已經知道了,釘馬掌的說法不準確,馬只有馬蹄沒有馬掌,而馬蹄只是它的腳指甲,有人給修腳那是享受。
不過問題又來了,如果馬蹄是它的腳指甲,那它們的姿勢也未免太奇葩了吧。
其實,關于動物行走方式更多的討論是關于膝蓋朝向。可能有些人會發現馬后腿和鴕鳥雙腿的膝蓋都是和人相反的,我們的膝蓋超前,它們的膝蓋朝后。我們在塑造一些虛構的獸人形象時,也會把反向的膝蓋當成一個重要的特征。
其實不管是反向膝蓋還是用腳指甲行走,這些鳥獸都并沒有什么奇特變異,只不過它們為了適應奔跑特別魔改下肢的結構。那些被我們誤認為是膝蓋的關節實際上是它們的腳踝,如果把骨骼一一對應來看,其實每個關節的朝向都是吻合的。
1.熊 2.貓 3.馬,馬的膝蓋并沒有反
我們不談太遠的,就從哺乳動物講起。哺乳動物里,就可以找出三類不同的行走方式:跖(zhí)行,簡單來說是就是全腳掌著地行走,代表動物老鼠、熊;趾行,即以前掌或趾頭著地行走,代表動物貓、狗;蹄行,也就說用趾尖著地行走,代表動物牛、羊、馬、豬。
跖行是最原始的一種行走方式,是我們剛登上陸地的老祖宗最開始悟出的姿勢,這種行走方式優點在于接觸地面的面積大,比較穩定,俗話說就是抓地力強,不過運動能力比較弱,因為它主要考慮的是對軀體的支撐,畢竟早期的陸地生活競爭沒有那么激烈,一個穩字才是最重要的。
之后,隨著陸地上的競爭越來越大,捕食者需要強大的奔跑能力追逐獵物,那么趾行這種姿勢也就出現了。大家可以回想一下,你能不能想出一種純肉食動物不是趾行的?(北極熊!小聲嗶嗶)實際上食肉目下很多常見的猛獸都是趾行的,比如貓科、犬科,它們都有共同的特點,善于奔跑且有爪子。
動物爪子標本,第二行順數五、六為獵豹爪
捕食者有了好裝備,那被捕食的獵物當然也需要與之抗衡啊,于是很多食草動物的觸地部分進一步前移,貌似腳尖著地已經是極限了,沒想到它們更狠,骨頭不夠指甲來湊,于是指甲變蹄子。
對比跖行、趾行、蹄行三種行走方式的演化,我們會發現一個規律,就是著地點越來越前,骨頭越拉越長,也越來越擅長奔跑。
然而,你可能有一些質疑,比如陸地奔跑速度最快的獵豹明明是趾行動物,它難道就沒有蹄行動物擅長奔跑了嗎?注意,擅長奔跑與跑得快并不等同,獵豹雖然快,但幾乎沒有耐力,況且就為了這個的一瞬爆發,獵豹犧牲了太多。獵豹其實和和別的“豹”并不親,它是貓科獵豹屬下的唯一物種,它們的爪子為了適應奔跑喪失了伸縮的能力,只能靠撲倒后鎖喉。
所謂的擅長奔跑其實也就是對應著其它能力的犧牲,比方說跖行王者靈長類,除了行走和短距離奔跑以外,跖行還帶來了超強的攀爬抓握能力,到了趾行的代表貓科,除了奔跑還有爪子,除了一定的搏斗能力也能爬爬樹,然而有蹄類動物就只剩能跑了。
馬的進化歷程就是最好的例子。1867年人類在北美發現了始祖馬化石,是已知最早的馬。始祖馬在距今5000萬年前生活,棲息地還在森林,它們的體型大概只有狐貍那么大,前腳有四趾,后腳有三趾,可以說樣貌平平。
到4000萬年前,它們的體型變得和羊差不多大,前腳四趾變成了三趾。等到2000萬年前,馬的祖先已經走出森林來到草原生活,雖然仍然留有三趾,但是此時中趾已經突破天際,成為唯一著地的趾,這也意味著它們的奔跑能力進一步強化。
到了1000-300萬年前,馬的祖先已經和現代馬沒有太大差別了,中趾趾端角質還形成了硬蹄,其余側趾都退化已經不可見。
沒有及時做美甲的馬蹄
可以用一句話描述馬的進化史: 5000萬年的一指禪修煉之路。
為什么擅長奔跑就要選擇蹄行?這其實關乎效率問題。對于吃草的動物來說,跑是專業的。面對捕食者的追擊,它們要跑得更快,跑得更久才能逃脫,但是也不能因為一次逃命耗盡所有能量一命嗚呼。
所以當奔跑的效率很關鍵,能省一點能量就是賺到。我們看從跖行到趾行再到蹄行,它們腳部踝關節以下越來越長,如果對應人的結構,馬后腳的腳掌骨比它的大腿還要長。
一方面,更長的腳能帶來更大的步幅,另一方面,發力的肌肉也進一步上移更靠近軀體,肢端關節由筋腱帶動,質量相對較小,有利于奔跑時的穩定和提高步頻。而著地點靠前也能讓更多的關節參與到奔跑中抵抗沖擊。
這些原理其實也適用于人類,優秀的馬拉松運動員大多數采用的是前腳掌跑法,而在長跑愛好者群體里也逐漸興起前腳掌跑法,一般認為能更好地減少沖擊保護膝關節。
腳跟跑法和前腳掌跑法的落地沖擊差別明顯
既然提到了人類就不得不講一講我們這群奇葩了。人類可是能同時做到跖行、趾行、蹄行的動物,當然只是暫時近似做到,畢竟我們沒有真正的蹄子。
如果你有觀察過猩猩的腳掌,就會發現它們的腳掌簡直和手一樣,面積很大也有很好的抓握能力,可是人類的腳就很不一樣了,我們的腳更長更窄,腳指頭很短,完全沒有抓握能力,這足以證明人類在進化過程中提高了奔跑的能力。
在行走和站立時我們是徹徹底底的跖行,全腳掌著地,非常穩定且省力,這讓我們得以解放出雙手開發更多的技能,而不需要像猩猩一樣需要雙手輔助行走。
如果需要快速奔跑,我們的姿態就會變為前腳掌著地,腳跟基本是懸空的,只有這樣的姿勢才能承受快速奔跑帶來的巨大沖擊力,類似于貓狗的趾行。而到了現代,芭蕾舞演員會采用腳尖著地的姿勢表演舞蹈,這種類似蹄行的姿勢需要特殊的訓練和鞋子的輔助。
盡管我們能夠暫時改變行走方式,但是我們的雙腳畢竟還是為跖行設計的,改變方式會帶來很多的問題。比如需要大量跑跳的專業運動員,他們最常見的一種傷病是足底筋膜炎,是由于長時間反復牽拉足底筋膜而引發的慢性炎癥,在足球籃球界都非常常見。
想像動物那樣奔跑也不是沒有辦法,裝一對人造的腳就可以了,當然前提是你失去了雙腳。在田徑界有一個著名的案子,到今天仍然頗有爭議,非常適合在行走方式的話題里講。
2004年,南非人奧斯卡·皮斯托瑞斯橫空出世,在2004年雅典殘奧會上拿到了100米銅牌和200米金牌,而他是一名天生雙腳截肢的殘疾人,卻在200米決賽上打敗了兩位單腳截肢的對手,并且還打破的世界紀錄。
更讓人驚奇的是奧斯卡在2004年1月才開始接受專業的短跑訓練。如此容易出成績的原因在于他使用了最先進的碳纖維假肢。
碳纖維假肢出現以后便大幅度提高了殘疾人短跑的世界紀錄,以至于雙膝下截肢組別(T43)的成績反超單膝下截肢組別(T44),也是所有組別中世界紀錄最快的,現在國際殘奧會T43組別的100米、200米世界紀錄分別是10.57秒和20.66秒(超過中國健將級運動員標準),這樣的成績非常可怕。
隨之而來的就是極大的爭議,2007年,國際田聯委托科隆大學對“J”型碳纖維假肢進行了研究,結論是這種假肢比健全人奔跑時節省25%的能量。
由于碳纖維的特性,既輕量化又非常有彈性,“刀鋒戰士”需要調動的肌肉更少,步頻更快,研究認為佩戴這種假肢能比其他運動員快11%。
這種碳纖維假肢是仿獵豹生物力學而研發出來的,所以它也能帶來非常大的優勢,尤其在奔跑效率上,不過和我們所說的行走方式演化一樣,高效率不可避免地損失了一部分穩定性,“刀鋒戰士”們的起跑通常非常慢,甚至會失去平衡而摔倒,但僅靠后半程的優勢就已經足以一次又一次打破世界紀錄。
我們對運動力學的研究有沒有可能讓殘疾人擁有超越健全人的能力呢?如果真的有那一天,這種沿著自然路徑的改造方向又算不算是一種演化呢?
劉宗柱.骨骼的強壯與精致[J].生物學教學,2016,41(08):73-74.
肖前柱,王玉璽.動物基礎知識講座 第八講 食肉目[J].野生動物,1983(04):63-66.王庭槐, 侯慧存. 牛森,霍洪峰,趙煥彬.新兵足底筋膜炎患者足底壓力分布與步態特征[J].中國運動醫學雜志,2019,38(04):257-262.
馮毅,文安,劉宇.科技進步在殘疾人競技運動中的作用——以膝下截肢短跑運動為例[J].體育科學,2014,34(11):67-73.
Oscar Pistorius. Wikipedia,3 October 2019, at 17:02 (UTC).
Larry Greenemeier. Blade Runners: Do High-Tech Prostheses Give Runners an Unfair Advantage?Scientific American, August 5,2006.

閱讀原文
關鍵詞 >> 科普,動物,馬蹄
特別聲明
本文為自媒體、作者等湃客在澎湃新聞上傳并發布,僅代表作者觀點,不代表澎湃新聞的觀點或立場,澎湃新聞僅提供信息發布平臺。

相關推薦

評論(28)

熱新聞

澎湃新聞APP下載

客戶端下載

熱話題

熱門推薦

關于澎湃 在澎湃工作 聯系我們 版權聲明 隱私政策 澎湃廣告 友情鏈接 澎湃新聞舉報受理和處置辦法
倍投稳赚法