Эволюция превысила оптимальную структуру костей у прыгающих грызунов

Кости стопы, которые у мелких прыгающих грызунов расположены отдельно, у их более крупных собратьев срастаются, и группа исследователей из Мичиганского университета и Калифорнийского университета в Сан-Диего решила узнать, почему.

Оказалось, что, когда эволюция направила кости утконоса по пути срастания, они превысили оптимальный уровень срастания — структуру, которая наилучшим образом рассеивает напряжение при прыжках и приземлении, — чтобы стать полностью соединенными.

Это открытие может послужить основой для разработки будущих роботизированных ног, способных выдерживать большие нагрузки, связанные с быстрыми всплесками подвижности.

Тушканчики — пустынные грызуны, которые бессистемно прыгают на двух ногах, чтобы избежать хищников. Эти две ноги могут выглядеть по-разному на генеалогическом древе тушканчиков: есть виды, которые весят всего три грамма, и те, которые весят 400 граммов, а у более тяжелых видов совершенно другие кости ног или метатарзальные кости. Более легкие животные похожи на большинство других млекопитающих, включая человека: у них плюсневые кости стопы отделены друг от друга.

«Мы хотели выяснить, почему мы видим сросшиеся кости только у крупных тушканчиков», — рассказывает Карла Натали Вилласис Нуньес, кандидат наук в области машиностроения и первый автор исследования в журнале Proceedings of the Royal Society B. — Мы обнаружили, что сросшиеся кости испытывают меньшее напряжение, чем несросшиеся, и становятся более прочными при больших нагрузках. Но также выяснили, что частично сросшиеся кости испытывают еще меньшее напряжение, чем полностью сросшиеся. Одна из гипотез заключается в том, что полностью сросшиеся кости имеют эволюционное преимущество».

Чтобы изучить характеристики костей у разных видов, исследователи провели микрокомпьютерную томографию музейных образцов и построили в программе 3D-модели плюсневых костей животных, затем масштабировали их до одинакового размера и подвергли стресс-тестам на удар, изгиб и отскок от поверхности.

Более мелкие тушканчики имеют три отдельные плюсневые кости, которые способны выдержать небольшой рост грызуна, даже когда используются для ударов при отскоке. У более поздних, крупных видов эти три кости полностью слились в одну. У средних видов есть нечто среднее: плюсневая кость с остатками внутренней кости, где она частично срослась, как связка палочек.

«Наша междисциплинарная команда применила передовые инженерные технологии для решения эволюционной головоломки, — поясняет Талия Мур, доцент кафедры робототехники в U-M и старший автор исследования. — Эволюция достигла благоприятной точки частично сросшейся геометрии, но затем эволюционный импульс, возможно, продолжился для полного сращения плюсневых костей. Поскольку полностью сросшихся костей все еще достаточно, чтобы не сломаться, вероятно, не было эволюционного давления, чтобы остановить слияние».

Исследовательская группа отмечает, что подобные анализы могут помочь выявить другие способы изменения формы скелета для компенсации эволюции видов от четвероногости, или хождения на четырех ногах, к двуногости.

«Хотя кенгуру, приматы и другие грызуны перешли к двуногости, динамика их движения и анатомические изменения, связанные с этим переходом, в каждом случае совершенно разные, — отмечает Эндрю Рэй, студент бакалавриата, изучающий материаловедение и инженерию в лаборатории Мура. — С помощью подобного анализа мы могли бы смоделировать, как кости стопы вымерших предков человека могли испытывать нагрузки во время ходьбы, бега или других видов локомоции».

Эксклюзивный перевод*

Фото: Талия Мур и Ким Купер

Поделиться:

Подписывайтесь на краткие, но содержательные новости со всего мира
глазами молодого поколения в Телеграм и ВКонтакте.

Почитайте также

Депутат Бессараб: при средней зарплате в 75 тыс. рублей пенсия составит 30 тыс.

9 Работник, получающий среднюю зарплату в России — 75 тысяч рублей, может рассчитывать на пенсию …