Як біг вплинув на еволюцію людини

Фізичний розвиток сучасної людини не дуже вражає: у нас немає ікл, кігтів чи інших пристосувань, що дозволяють тваринам виживати в суворому світі дикої природи. Однак, одна здатність нашого організму справді унікальна — людина є найкращим бігуном на довгі дистанції.

У порівнянні з чотириногими, людина дуже поганий спринтер. Елітні бігуни-спринтери можуть розвивати швидкість близько 10,2 м/с, яку здатні підтримувати менше 15 секунд. У свою чергу, «бігаючі» представники чотириногих (наприклад, коні, антилопи) здатні галопувати з максимальною швидкістю 15-20 м/с, яку можуть підтримувати впродовж декількох хвилин.

Крім цього, біг для людини майже вдвічі витратніший енергетично у порівнянні з більшістю ссавців з такою самою, як у людини масою тіла. А ще в порівнянні з бігаючими чотириногими, людина менш маневрена.

Попри погані спринтерські навики, людина здатна бігти багатокілометрові дистанції протягом тривалого часу, використовуючи аеробний метаболізм. Ця здатність унікальна, і ніхто в живій природі не здатен на подібні речі. Вважається (хоча довести окремі положення цієї теорії навряд чи можливо), що еволюція сприяла появі різних «пристосувальних» механізмів для забезпечення цієї унікальної функції.

Наскільки добре людина справляється з бігом на довгі дистанції?

У людини є два основних способи переміщення — біг і ходьба. При ходьбі енергетичні витрати залежать від швидкості ходьби, яка визначається довжиною ніг.

При переході на біг, що відбувається при швидкості приблизно 2,3-2,5 м/с, енергетичні витрати стають трохи меншими завдяки включенню «пружинних» механізмів (суглоби, зв’язки, м’язи, кістки), при цьому відбувається використання кінетичної і потенційної енергії. Наприклад, багаті на колаген сухожилля і зв’язки запасають еластичну енергію під час початкової фази руху, а потім вивільняють цю енергію під час пропульсивної фази.

Жоден з приматів не здатен рухатися з такою ж швидкістю і на ті ж відстані, що й людина, яка може ефективно варіювати швидкість при бігу на довгі і наддовгі дистанції.

Цієї здібності не має жоден з чотириногих, незважаючи на те, що деякі тварини здатні проходити великі відстані (наприклад, вовки можуть проходити за день від 14 до 19 км), а низка представників фауни однозначно швидші за людину.

Порівнюючи енергетичну ціну бігу, людина значно програє чотириногим, різниця часом доходить до 50%, але економічність бігу і здатність варіювати темп, «підлаштовуючи» його під поточну ситуацію, дозволяє нам долати значні відстані.

Структурні основи і докази бігу на довгі дистанції

Зазвичай виокремлюють чотири групи структурних особливостей, пов’язаних з тривалим бігом: енергетика, міцність, стабілізація і терморегуляція.

Енергетика

Як наслідок прямоходіння, у людини з’явилися зміни в опорно-руховому апараті і скелетній мускулатурі, які служили пристосуванням до ходьби чи бігу (або й того, й іншого). Перш за все, це масо-пружинний механізм, який працює під час бігу, вивільняючи накопичену під час початкової фази енергію.

На відміну від людиноподібних мавп, людські ноги мають багато довгих сухожиль, що виконують роль «пружин», з’єднаних з короткими пучками м’язів, які можуть економно генерувати силу. Під час ходьби цей пружинний механізм практично не задіяний, але може заощадити до 50% метаболічної вартості при бігу.

Найбільш важливим серед «бігових» сухожиль є ахіллове, а також певну роль грає клубово-великогомілковий тракт та малогомілкові м’язи. Ще одним важливим пристосуванням, що допомагає людині бігти, є поздовжнє склепіння стопи. Воно повертає приблизно 17% енергії, яка виробляється під час початкової фази бігу.

Додатковим фактором, який допомагає регулювати енергетичну цінність бігу, є довжина кроку.

На відміну від більшості чотириногих, люди збільшують швидкість під час тривалого бігу здебільшого за рахунок збільшення довжини кроку, а не каденсу.

Збільшена абсолютна (а не відносна) довжина кроку у людини стала можливою завдяки поєднанню ефективного «пружинного» механізму і відносно довгих ніг.

Довгі ноги корисні при ходьбі, але вони також збільшують час контакту з поверхнею, причому як при ходьбі, так і при бігу. Відносно довгий час контакту може бути перевагою при тривалому бігу, оскільки величина, протилежна до часу контакту, у різних видів пов’язана з енергетичною витратністю бігу.

Коливальні рухи довгих ніг, проте, збільшують витрати енергії під час бігу. Присутнє у людини зниження маси кінцівок має незначний вплив на енергетику ходьби, але дозволяє досягти значної метаболічної економії під час бігу на довгі дистанції. Наприклад, перерозподіл 3,6 кг від щиколотки до стегна, зменшує метаболічну вартість бігу при низьких швидкостях (2,6 м/с) приблизно на 15% (наприклад, стопа людини становить всього 9% від загальної маси ніг, в порівнянні з 14% у шимпанзе).

Не дуже висока частота кроків дозволяє знизити енергетичну цінність переміщення відносно важких ніг (30% від маси тіла у людей, в порівнянні з 18% у шимпанзе), і дозволяє більше опиратися на більш повільно скорочувані окисні м’язові волокна, стійкі до втоми, які краще розвинені у бігунів на довгі дистанції.

Міцність скелета

Біг піддає опорно-рухову систему набагато більшій напрузі, ніж ходьба, особливо коли нога стикається з землею, створюючи ударну хвилю, яка проходить вгору від п’яти через хребет до голови (іноді під час бігу на високих швидкостях це навантаження на опорно-рухову систему в 3-5 разів перевищує навантаження при ходьбі).

Одна з еволюційних змін для зниження навантаження на суглоби — розширення поверхні суглоба, яке допомагає розподілити силу на велику площу.

Крім цього, у людини змінилися тазові кістки, що дозволяє їм протистояти стресу, який виникає при бігу. Люди можуть також мати велику площу поперечного перерізу горбів п’яткової кістки щодо маси тіла.

Стабілізація

Двонога хода за своєю природою нестійка, але деякі відмінності між бігом і ходьбою спричинили виникнення спеціальних механізмів, які забезпечують стабілізацію і баланс під час бігу. Цілком очевидно, що корпус і шия бігуна більше нахилена вперед під час бігу, в порівнянні з ходьбою, це сприяє просуванню вперед.

У людини є низка особливостей, які підвищують стабільність тулуба під час бігу, наприклад, розширення області крижів і задньої клубової ості, куди кріпиться великий м’яз, який випрямляє хребет, і сильно збільшений великий сідничний м’яз (який відіграє роль саме в бігу, при ходьбі на рівній поверхні він практично не задіяний).

Потенційно дестабілізуючим силам, які активно проявляються під час бігу, протистоїть (а значить, підтримує стабільність тулуба) зустрічне обертання грудної клітки та рук (але не голови). Люди здатні набагато більшою мірою, у порівнянні з мавпами, ізольовано обертати тулубом (відносно стегон), чому сприяє подовжено вузька талія, яка розділяє нижню межу грудини від таза.

У людини є структурна незалежність плечового пояса і голови, чому сприяє зменшена м’язова маса в зоні голови та шиї. Широкі плечі дозволяють врівноважувати нестабільність, яка виникає при роботі рук під час бігу. Скорочення маси передпліччя у людини приблизно на 50% (на 50% менш масивне відносно загальної маси тіла у людей порівняно з шимпанзе), суттєво знижує м’язове зусилля, необхідне для підтримки стереотипно зігнутого ліктя під час бігу.

Терморегуляція і дихання

Найважливішою пристосувальної здатністю людини, яка виникла в процесі еволюції і дозволяє їй долати значні відстані під час бігу, є можливість терморегуляції і підтримання сталої температури.

Серед еволюційних змін варто виділити вузьке, витягнуте тіло, особливості венозного кровообігу головного мозку і черепа, що дозволяє використовувати венозну кров для охолодження.

Іншою особливістю людини є тенденція до дихання ротом під час бігу. Носове дихання, типове для людиноподібних мавп, створює занадто великий опір в межах відносно маленької носоглотки людини, що підвищує вимоги до роботи дихальних м’язів, збільшуючи витратність дихання. Таким чином, ротове дихання дозволяє створювати більш високі швидкості повітряного потоку з меншим опором і м’язовими зусиллями; дихання через рот є також більш ефективним засобом відведення надлишкового тепла під час видиху.