Ходьба «пятка‑вперёд» дала людям эволюционное преимущество — исследование

Среднестатистический человек делает тысячи шагов каждый день, инстинктивно перекатываясь с пятки на носок. Новое исследование учёного из Пенсильвании показывает, что такой последовательный «удар пяткой» более характерен для людей, чем считалось ранее: он экономит энергию и позволял ранним гоминидам преодолевать большие расстояния, но сопровождается более высокими ударными нагрузками на кости и суставы.

Команда отмечает, что результаты, опубликованные сегодня (8 сентября) в Трудах Национальной академии наук , проливают свет на важную эволюционную адаптацию — ходьба с ударом пятки повысила эффективность перемещения и, возможно, способствовала освоению стратегии охоты и собирательства и расселению наших предков по планете.

Предыдущие работы, опирающиеся главным образом на описательные наблюдения, предполагали, что люди и некоторые других человекообразные обезьяны, например шимпанзе, могут разделять стиль с ударом пятки. Авторы нового исследования применили высокоскоростную видеофиксацию высокой чёткости и плоскую дорожку, облицованную металлическими пластинами‑силомерами, чтобы точно измерить силы удара и сравнить, как ходят шимпанзе и люди.

Оказалось, что шимпанзе при ходьбе чаще приземляются на бок стопы или на подушечку, а не на пятку, и делают это чаще при передвижении на четырёх конечностях, чем при ходьбе на двух. Люди же постоянно приземляются ударом пятки. По расчётам исследователей, такой стиль экономит современным людям примерно от 26% до 41% метаболической энергии по сравнению с ходьбой на средней части стопы, но при этом генерирует более высокие ударные нагрузки, что, по мнению авторов, требовало последующих анатомических адаптаций — более крупных и прочных костей и суставов — чтобы безопасно преодолевать большие расстояния.

По словам ведущего автора Холовки, когда люди думают о том, что делает нашу походку уникальной, они обычно говорят о прямохождении — прямой спине и выпрямленных ногах. Но приземление на пятку — ещё один отличительный аспект, который, возможно, недооценён. Шимпанзе чаще используют «мягкое» приземление на подушечку или бок стопы; этот стиль менее эффективен и, вероятно, ограничивает расстояние, которое они способны пройти.

Исследователи предупреждают, что более сильные ударные силы теоретически могли повредить ткани и потребовали последующих изменений в строении опорно‑двигательного аппарата, чтобы ранние люди могли ходить последовательно и безопасно на большие расстояния.

«Похоже, людям потребовались анатомические приспособления — более толстые пяточные кости и более крупные коленные и голеностопные суставы — чтобы справиться с этими высокими силами», — пояснил Холовка. Он также связал удар пятки с поведенческими изменениями: более эффективная ходьба позволила людям ежедневно проходить большие расстояния в поисках пищи и сделала охоту и собирательство более устойчивыми стратегиями получения пищи.

Для экспериментов исследователи установили в Университете Стоуни‑Брук дорожку длиной примерно 36 футов, облицованную силовыми пластинами, и с помощью высокоскоростных камер наблюдали, как три самца шимпанзе передвигались по ней на четырёх и на двух ногах. Авторы дополнили свои данные записями ещё трёх шимпанзе из другого исследования и проанализировали результаты двух дополнительных работ с участием 15 шимпанзе.

Аналогичные лабораторные испытания провели и с людьми: 12 добровольцев прошли эксперимент в Университете Буффало. Девять участников носили светоотражающие маркеры и шли босиком по взлетно‑посадочной полосе длиной около 25 футов, оснащённой силовыми пластинами и высокоскоростными камерами. Они несколько раз шли в своей обычной походке и в изменённой — имитирующей походку шимпанзе, при которой приземление происходит на подушечку сразу за мизинцем, а затем опускается пятка; исследователи называли этот стиль «удар средней части стопы». Кроме того, участники шли по беговой дорожке с портативной системой респирометрии, которая фиксировала потребление кислорода и выработку CO2 для оценки затрат энергии при разных стилях ходьбы.

Анализ показал, что шимпанзе комбинируют удары пяткой и средней частью стопы, но при ходьбе на двух ногах используют удар пяткой реже, чем при передвижении на четырёх.

«При ходьбе на двух ногах шимпанзе, по‑видимому, предпочитают более «мягкое» приземление», — прокомментировал соавтор исследования Натан Томпсон.

В то же время все нормальные шаги людей в эксперименте оказались ударами пятки: угол контакта стопы с землёй был очень постоянным как внутри каждого человека, так и между разными участниками. Шимпанзе показали гораздо больший разброс углов приземления — от 2,4 до 8,6 раза больше, чем у людей‑участников.

Учёные также установили, что удар пяткой создаёт значительно большую ударную силу, чем удар средней частью стопы, и у шимпанзе, и у людей. Для шимпанзе, идущих на двух ногах, скорость нагружения при ударе пяткой была на 138% выше, чем при ударе средней частью стопы; у людей эта разница составила 162%. При этом экономия метаболической энергии при ходьбе с пятки у людей оставалась значительной — от 26% до 41% по сравнению с ходьбой средней частью стопы.

«Мы, люди, научились использовать этот стиль ходьбы с высокой нагрузкой так, чтобы он был для нас безопасным и естественным», — сказал Холовка. Он отметил, что современные твёрдые, мощёные поверхности могут смещать эволюционный баланс и что это интересно изучать в дальнейших работах, но при этом добавил, что активная прогулка остаётся полезным упражнением: наши тела эволюционировали, чтобы справляться с ударными нагрузками, и избегать ходьбы не стоит.

В исследовании участвовали аспиранты Пенсильванского штата Захария Аполито и Кевин Палмизано. Среди других соавторов — Мэтью О'Нил (Университет Среднего Запада); Винсент Бхандал, Отто Лам и Бриджит Демес (Медицинская школа Эпохи Возрождения при Университете Стоуни‑Брук); Калеб Массими (Медицинская школа Икан на горе Синай, Нью‑Йорк); и Стивен Уортингтон (Гарвардский университет).

Работа была профинансирована Национальным научным фондом США по гранту BCS‑0935321, Фондом Лики и Фондом Веннера‑Грена.