Zusammenfassung Die Entwicklung der Fähigkeit, gewohnheitsmäßig aufrecht auf zwei Beinen zu gehen und zu laufen, ist eine der bedeutendsten Veränderungen in der menschlichen Evolution. Viele muskuloskelettale Anpassungen ermöglichten die zweibeinige Fortbewegung, einschließlich dramatischer struktureller Veränderungen am Fuß und insbesondere der Entwicklung eines hohen medialen Fußgewölbes. Bisher wurde angenommen, dass die gewölbte Struktur des Fußes eine zentrale Rolle bei der direkten Vorwärts- und Aufwärtsbewegung des Massenschwerpunkts durch die Zehen und einem federartigen Energierückstoß spielt. Es ist jedoch unklar, ob die Plantarflexionsbeweglichkeit und die Höhe des medialen Bogens seine Funktion als Antriebshebel unterstützen. Wir verwendeten biplanare Hochgeschwindigkeits-Röntgenmessungen der Fußknochenbewegung bei sieben Teilnehmern beim Gehen und Laufen und verglichen ihre Bewegung mit einem fachspezifischen Modell ohne Fußgewölberückstoß. Wir zeigen, dass, unabhängig von intraspezifischen Unterschieden in der Höhe des medialen Fußgewölbes, ein Zurücksetzen des Fußgewölbes eine längere Kontaktzeit und günstige Antriebsbedingungen am Knöchel für aufrechtes Gehen mit ausgestrecktem Bein ermöglicht. Das häufig übersehene Keilbeinkeilgelenk ist in erster Linie für den Bogenrückstoß beim menschlichen Fußgewölbe verantwortlich. Der Mechanismus, durch den der Rückstoß des Fußgewölbes eine aufrechte Knöchelhaltung ermöglicht, könnte dazu beigetragen haben, die Entwicklung des Längsgewölbes voranzutreiben, nachdem unser letzter gemeinsamer Vorfahre mit den Schimpansen keine Plantarflexionsbeweglichkeit des Fußgewölbes beim Ausfallschritt hatte. Zukünftige morphologische Untersuchungen des Navikular-Medial-Keilgelenks werden wahrscheinlich neue Interpretationen des Fossilienbestands liefern. Unsere Arbeit legt außerdem nahe, dass das Zulassen einer Rückstellung des medialen Fußgewölbes bei Schuhen und bei chirurgischen Eingriffen entscheidend für die Aufrechterhaltung der natürlichen Bewegungskapazität des Knöchels sein kann. |
FIGUR . (A) Die Antriebshypothese des Schwerpunkts (COM) legt nahe, dass sowohl der Fußgewölberückstoß als auch die Fußhebelwirkung den COM erhöhen können. (B) Fußhebel um den Drehpunkt des Großzehengrundgelenks.
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Wissenschaftler haben herausgefunden, dass der durch das flexible Fußgewölbe des Menschen erzeugte Tritt dabei hilft, unsere Beine in die optimale Haltung für das Fortschreiten des zweibeinigen Gehens zu bringen. Zu verstehen, wie unsere Gelenke dem modernen Menschen beim aufrechten Gehen helfen, könnte uns dabei helfen, die Entwicklung des Bipedalismus zu verfolgen und die Versorgung von Patienten mit Fußproblemen zu verbessern.
Eine neue Studie hat gezeigt, dass Menschen möglicherweise einen federähnlichen Bogen entwickelt haben, der uns beim Gehen auf zwei Beinen hilft. Forscher, die die Entwicklung des zweibeinigen Gehens untersuchen, gehen seit langem davon aus, dass das hohe Fußgewölbe uns beim Gehen hilft, indem es als Hebel fungiert, der den Körper vorwärts treibt. Doch ein globales Wissenschaftlerteam hat nun herausgefunden, dass der flexible Rückstoß des Fußgewölbes den Knöchel aufrichtet und so ein effektiveres Gehen ermöglicht. Die Auswirkungen auf das Laufen sind größer, was darauf hindeutet, dass die Fähigkeit, effizient zu laufen, ein selektiver Druck auf ein flexibles Fußgewölbe gewesen sein könnte, der auch das Gehen effizienter machte. Diese Entdeckung könnte Ärzten sogar dabei helfen, die Behandlung von Fußproblemen heutiger Patienten zu verbessern.
„Wir dachten ursprünglich, dass der federartige Bogen dabei hilft, den Körper auf die nächste Stufe zu heben“, sagte Dr. Lauren Welte, Erstautorin der Studie in Frontiers in Bioengineering and Biotechnology , die die Forschung während ihres Studiums an der Queen’s University and It durchführte ist jetzt der University of Wisconsin-Madison angegliedert. „Es stellt sich heraus, dass sich stattdessen der federartige Bogen nach hinten bewegt, um dem Knöchel dabei zu helfen, den Körper anzuheben.“
Schritt für Schritt
Die Entwicklung unserer Füße, einschließlich des hohen Mittelgewölbes, das uns von Menschenaffen unterscheidet, ist für das zweibeinige Gehen von entscheidender Bedeutung. Es wird angenommen, dass der Bogen den Hominiden mehr Kraft verleiht, wenn sie aufrecht gehen. Der Mechanismus ist unklar, aber wenn die Bewegung des Bogens eingeschränkt ist, erfordert das Laufen mehr Energie. Der Rückstoß des Fußgewölbes könnte uns möglicherweise zu effizienteren Läufern machen, indem er die Kernmasse des Körpers nach vorne treibt oder die mechanische Arbeit ausgleicht, die die Muskeln sonst leisten müssten.
Um diese Hypothesen zu untersuchen, wählte das Team sieben Teilnehmer mit unterschiedlicher Beweglichkeit des Fußgewölbes aus, die gingen und rannten, während ihre Füße von Hochgeschwindigkeits-Röntgen-Bewegungserfassungskameras gefilmt wurden. Die Fußgewölbehöhe jedes Teilnehmers wurde gemessen und ein CT-Scan des rechten Fußes durchgeführt. Die Wissenschaftler erstellten starre Modelle und verglichen sie mit der gemessenen Bewegung der Fußknochen, um die Auswirkung der Fußgewölbebeweglichkeit auf benachbarte Gelenke zu testen. Sie haben auch gemessen, welche Gelenke am meisten zum Fußgewölberückstoß beitrugen und welchen Beitrag der Fußgewölberückstoß zum Massenschwerpunkt und zum Vortrieb des Knöchels leistete.
Neigung zum Bipedalismus
Obwohl die Wissenschaftler damit rechneten, dass der Rückstoß des Fußgewölbes dem starren Fußgewölbehebel dabei helfen würde, den Körper anzuheben, stellten sie fest, dass ein starres Fußgewölbe ohne Rückstoß dazu führte, dass der Fuß früher vom Boden abhob, was wahrscheinlich die Effizienz der Fußgewölbemuskeln verringerte. Wade oder die Knöchelknochen sind zu weit nach vorne geneigt. Die Vorwärtsneigung spiegelt die Haltung gehender Schimpansen wider und nicht die aufrechte Haltung, die für das Gehen des Menschen charakteristisch ist. Das flexible Fußgewölbe trug dazu bei, den Knöchel wieder aufzurichten, sodass sich das Bein effektiver vom Boden abheben konnte. Dieser Effekt ist beim Laufen sogar noch größer, was darauf hindeutet, dass effizientes Laufen ein evolutionärer Druck zugunsten des flexiblen Bogens gewesen sein könnte.
Die Wissenschaftler fanden außerdem heraus, dass die Verbindung zwischen zwei Knochen im medialen Bogen, dem Strahlbein und dem medialen Keilbein, für die Flexibilität des Bogens von entscheidender Bedeutung ist. Veränderungen in diesem Gelenk könnten uns helfen, die Entwicklung des Bipedalismus im Fossilienbestand der Hominiden zu verfolgen.
„Die Beweglichkeit unserer Füße scheint es uns zu ermöglichen, aufrecht zu gehen und zu laufen, anstatt uns nach vorne zu beugen oder den nächsten Schritt zu früh zu machen“, sagte Hauptautor Dr. Michael Rainbow von der Queen’s University.
Therapeutisches Potenzial
Diese Ergebnisse legen auch therapeutische Möglichkeiten für Menschen nahe, deren Fußgewölbe aufgrund einer Verletzung oder Krankheit steif ist: Die Unterstützung der Fußgewölbeflexibilität könnte die allgemeine Mobilität verbessern.
„Unsere Arbeit legt nahe, dass die Bewegung effizienter ist, wenn man den Bug während des Vortriebs bewegen lässt“, sagte Welte. „Wenn wir die Bewegung des Fußgewölbes einschränken, ist mit entsprechenden Veränderungen in der Funktion der anderen Gelenke zu rechnen.“
„Zu diesem Zeitpunkt muss unsere Hypothese weiter überprüft werden, da wir überprüfen müssen, ob Bevölkerungsunterschiede in der Fußmobilität zu den Veränderungen führen, die wir in unserer begrenzten Stichprobe sehen“, sagte Rainbow. „Dennoch bereitet unsere Arbeit die Bühne für einen spannenden neuen Forschungsweg.“
Anwendungen
Die Ermöglichung der Plantarflexionsbeweglichkeit des Fußgewölbes hat viele wichtige Anwendungen, darunter das Schuhdesign, das Verständnis der Pathologie und die chirurgische Praxis. Bestimmte Schuhmodifikationen, wie z. B. die Erhöhung der Biegesteifigkeit der Schuhsohle oder die Verwendung von Einlagen, die das Fußgewölbe einschränken, verringern die Plantarflexion des Fußgewölbes und können entsprechend die muskulären Kontraktionsbedingungen des Knöchels während der Fortbewegung verändern oder die Stoffwechselkosten erhöhen. Betrieb auf Bodenniveau.
Unsere Ergebnisse haben auch Auswirkungen auf Menschen mit von Natur aus steifen Füßen oder Fußerkrankungen (wie Arthrose), die die Beweglichkeit im Fußgewölbe einschränken. Wenn die Fußwurzelgelenke chirurgisch fusioniert werden, verringert sich die Kraft des Sprunggelenks beim Gehen, was ein weiterer Hinweis darauf ist, dass ein bewegliches Fußgewölbe den Vortrieb des Sprunggelenks unterstützt. Unsere Methode könnte auch zur Vorhersage dynamischer Bewegungsmuster bei chirurgischen Gelenkfusionen eingesetzt werden. Durch die mathematische Fixierung der Gelenke in bekannten Positionen können wir mögliche Veränderungen entlang der kinematischen Kette aufklären. Wir würden beispielsweise erwarten, dass eine Fusion des Keilbeingelenks den Vortrieb erheblich beeinträchtigt, was dazu führt, dass der Fuß früher vom Boden abhebt oder dass der Kraftbedarf am Knöchel steigt. Diese Ergebnisse unterstreichen die Bedeutung der Erhaltung der Bogenbeweglichkeit in der chirurgischen Praxis und beim Schuhdesign.
| Zusammenfassend lässt sich sagen , dass beim zweibeinigen Gehen und Laufen der Rückschlag des menschlichen Innengewölbes in Verbindung mit der Morphologie des Innengewölbes die aufrechte Fortbewegung erleichtert, indem er sich auf die Talushaltung, den Bewegungsbereich des Knöchels und die Kontaktzeit auswirkt. mit dem Boden. Wir argumentieren, dass Unterschiede in der Höhe des medialen Fußgewölbes Hominiden zwar optisch von anderen Primaten unterscheiden können, die Beweglichkeit unserer Fußgewölbe-Plantarflexion jedoch entscheidender für unsere Fähigkeit ist, sich auf zwei Beinen fortzubewegen. Daher sind die Kartierung von Morphologie-Mobilitäts-Beziehungen bei unseren Verwandten und heutigen Menschen sowie vorausschauende dynamische Vorhersagen aus dem Fossilienbestand notwendig, um die Bewegungsmuster unserer Vorfahren zu verstehen. |
