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爬树爬不过猴子?原来都是屁股的错!

科学松鼠会  · 公众号  · 科学  · 2021-05-15 07:15

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显然,在大腿后侧肌群的拉动下伸展髋关节“撬”起身体是向上攀爬时重要的一环。而 人类的爬树能力之所以在灵长类家族里不幸垫底,问题就出在这个由大腿后侧肌群、大腿骨和髋关节组成的“扳手”系统上 [2]

上树还是上路?

鱼和熊掌难兼得


我们复习一下初中物理知识:杠杆的力臂越长越省力,力臂要是足够长就可以弹飞地球(当然也要有支点)。对于大腿后侧肌群、大腿骨和髋关节组成的这套“扳手”系统而言,力是由肌肉提供的,力臂当然是杠杆支点到肌肉的最小直线距离。


线段B代表了大腿股骨,A的小圆圈则是旋转中心髋关节,Fm代表了大腿后侧肌群的用力方向。所以,Fm到髋关节A的直线距离r就是力臂的长度了。图片来源:参考文献[2]

因为大腿后侧肌群在髋关节上的那一端固定坐骨上,所以 坐骨的大小和形态,决定了这套“扳手”系统的力臂长短。 对非人灵长类来说,坐骨普遍朝向身体后方,在四足匍匐着地时,坐骨的长短也决定了力臂的长度。换句话说,坐骨越长,力臂就跟着越长,攀爬时下肢运动的过程也就越省力。有这么好的结构,自然演化的力量当然不会放过——从猴子到大猿,坐骨形态无一例外都比人类更长。因此,在攀援活动中,它们的肌肉运动更加高效,一口气上树不费劲。


图中可以看到猿猴的坐骨、走向,以及大腿后侧肌群的力臂长度(蓝色线段)。在四足着地的姿态中,坐骨与力臂的方向一致,坐骨越长,力臂也就越长。图片来源:参考文献[2]

但是你肯定会问,如此优秀的骨骼结构,人类为什么不要了?因为相比于爬树,人类更需要直立行走。

如果让一只猩猩站直,你就会发现它的髋关节、坐骨和大腿后侧肌群的走向都几乎重合在了同一条直线上。换句话说, 当一只猩猩站直的时候,大腿后侧肌群的力臂长度几乎归零!这意味着,肌肉提供的动力在这个姿势下就失效了。 纽约市立大学的研究团队测量了十余种灵长类的下肢结构,发现这是极其普遍的现象。也就是说,用猴子和大猿们的坐骨结构行走,不仅不省力,反而是步履维艰。

再用我们的“扳手”模型理解一下:当猴子和大猿们试图站立行走,其实意味着施加在“扳手柄”(大腿股骨)上的力转变了方向——之前的力量方向与杠杆形成了交角,所以这个骨骼杠杆才会起作用,股骨才能转动。而现在,力量几乎是在沿着扳手把柄的长轴向前顶去。这种用力的劲只是在把股骨往正上方硬拽,而不能前后转动,当然是在做无用功。


在非人灵长类中,当身体接近直立姿态时,髋关节A,股骨B,以及大腿后侧肌群用力方向Fm相距越来越近,力臂r变得非常短小。如果身体继续后仰,它们会重合在一起,而力臂r几乎归零。图片来源:见参考文献[2]

所以说,如果人类的坐骨依旧又长又朝屁股下方,那么我们就不要期望潇洒的步态了。既然上树和上路所需要的是完全不同的坐骨形态,那相比于非人灵长类,人类的坐骨又是怎么个创新的长法?怎么保证两足行走时也能昂首阔步呢?

研究人员在测量了地猿、南方古猿,以及现代人的坐骨形态后,找到了人类独特的坐骨变化趋势。地猿和南方古猿被认为是人类数百万年前的祖先,其中地猿生存年代最早,南方古猿相对晚一些。在地猿化石中,坐骨的走向轻微转向背侧,既保证了爬树的能力,也可以凑合着近似直立行走。 南方古猿和现代人则完全不同了——他们的坐骨长度变短,也不再朝下,而是更极大地转朝向背侧。 这样一来,大腿后侧肌群、坐骨、髋关节在直立状态下不再重合于同一条直线, 很好地解决了灵长类直立行走时“力臂归零”的Bug。 然而, 现代人的爬树技巧也因此大打折扣。 向上攀爬时,腿抬得较高,大腿后侧肌肉的力臂变得很短小。这就好像用扳手时不正经握住把柄尾巴,非要捏着扳手头部使劲,这当然会费力不讨好了。


从左向右依次为地猿、南方古猿、现代人的骨盆结构,下方红色条带指示的是坐骨的位置。可以看见,坐骨在进化过程中越来越朝向背侧。(图片来源:见参考文献)

所以说,有得就有失的人间真理在自然演化中也同样适用。用祖传的爬树技巧换自创的直立行走,这笔交易也算是明智之举。毕竟这让我们得以走下树梢,创建文明。


出野外就会知道,相比于爬树,猴子们更爱爬的是你的三脚架(摄影:中山大学伍乘风)









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