В рецензируемой статье, опубликованной в журнале BIO-Complexity, профессор инженерных наук Бристольского университета Стюарт Берджесс объясняет, Почему комплекс «лодыжка-нога» является шедевром инженерного искусства и опровержением аргументов «плохого дизайна». Она сформулирована как ответ на аргументы ID-критиков, таких как Джереми ДеСилва и Натан Ленц. Эти критики утверждают, что комплекс стопы и голеностопа человека является неоптимальным, поскольку отражает неуправляемый процесс, в ходе которого эволюция пыталась преобразовать скелетную структуру, приспособленную к четвероногому передвижению, в двуногую. В ответ Берджесс утверждает, что голеностопный комплекс «демонстрирует очень высокую степень сложности и тонкой настройки» и «мастерство инженера». Более того, «инженерный анализ показывает тесную взаимосвязь между формой и функцией голеностопного сустава, которая прослеживается в его многочисленных костях и расположении этих костей», а «пять костей средней части стопы необходимы для формирования оптимального кинематического и структурного интерфейса между задней и передней частями стопы».

Берджесс отмечает, что многие, кто изучал стопу без предвзятого отношения, признали ее «превосходный дизайн». Он цитирует Леонардо да Винчи, который назвал человеческую стопу «шедевром инженерного искусства и произведением искусства», и более современных исследователей, которые отмечают «почти не требующую усилий походку человека» или отмечают, что различные структуры стопы «работают в идеальной синхронизации», поскольку она «превосходно сконструирована для передвижения».

Контраст с «плохим дизайном»

Сторонники «плохого дизайна», напротив, считают, что большинство из семи костей голеностопа бессмысленны, плохо скоординированы и в принципе являются плохим дизайном, поскольку «сросшаяся структура» будет работать лучше, чем «сустав с таким количеством отдельных частей». На аргументы о том, что голеностоп плохо приспособлен для двуногого передвижения, поскольку изначально был создан для четвероногих, Берджесс отвечает, что такие аргументы «основаны на круговых рассуждениях и предположениях о том, что эволюция могла или не могла сделать в прошлом». Он считает, что «более эффективным научным подходом к оценке качества конструкции является изучение реальной биомеханики и функций стопы».

Берджесс отмечает, что «требования к маневренному двуногому движению чрезвычайно высоки». Ведь стопа должна быть «компактным многофункциональным прецизионным устройством», которое должно выполнять множество требований, порой противоречащих друг другу:

1. Выполнять роль сильного и жесткого рычага, приводящего тело в движение при ходьбе и беге. Движение в суставе [сгибание пальцев стопы] – плантарфлексия.

2. Выполнять роль гибкой платформы для амортизации ударов и адаптации к неровной поверхности. Движения в суставах включают дорсифлексию [тыльное сгибание стопы], пронацию [способность стопы выворачиваться внутрь] и супинацию [способность стопы выворачиваться во внешнюю сторону – прим. перев.].

3. Обеспечивать трехточечный контакт с землей, позволяя стоять на одной или двух ногах, а также контролируемое отталкивание от земли. Управление должно включать тонкую настройку направления, а также силу.

Сложные и противоречивые требования

При этом Берджесс отмечает, что «требования жесткого рычага и гибкой платформы трудновыполнимы, поскольку они противоречат друг другу. Для выполнения этих двух требований стопа должна обладать жесткостью и гибкостью в нужных местах. Кроме того, стопа должна обладать способностью регулировать жесткость за счет точного управления мышцами». Стопа способна достичь этого благодаря тому, что она «имеет три взаимосвязанных гибких свода, которые выполняют множество функций, в частности, трехточечный контакт с землей, жесткий рычаг для отталкивания и гибкость для амортизации». Берджесс отмечает, насколько хорошо спроектированы эти своды:

«Существует несколько особенностей, поддерживающих целостность сводов: (І) своды стопы сегментированы, как римская арка, что вызывает сжимающие усилия, в частности, на кость, образующую краевой камень свода; (ІІ) короткие связки, связывающие соседние кости между собой; (ІІІ) более длинные связки (например, подошвенная пяточно-ладьевидная связка), связывающие свод через несколько костей; (IV) группы мышц и сухожилий, действующие как праща, подтягивая свод вверх; и (V) мышцы, придающие своду жесткость».

Далее он отмечает, что кости средней части стопы позволяют ей выполнять пять основных подфункций, включая обеспечение «гибкого поперечного свода», «несущей конструкции во время пронации», «кинематического интерфейса для пронации-супинации», «структурного интерфейса для продольных нагрузок» и «жесткости медиального свода».

Бёрджесс также считает, что «еще одной специализированной конструктивной особенностью голеностопного комплекса являются эластичные шарнирные соединения», поскольку 17 таких соединений обеспечивают «значительную гибкость» стопы, а также способствуют амортизации. В действительности, по мнению Берджесса, эти эластичные шарнирные соединения выполняют как минимум пять подфункций, включая «(І) гибкость; (ІІ) перенос нагрузки; (ІІІ) накопление энергии; (ІV) отказоустойчивость; и (V) сверхнизкое трение».

Сторонники «плохого дизайна» спрашивают, почему в нижней части ноги над лодыжкой имеются парные кости, а не одна. Берджесс отмечает, что для этого есть веские причины, поскольку малоберцовая кость «хорошо известна тем, что обеспечивает стабильность голеностопного сустава» через «тип системы связей с несколькими перекладинами». Он приводит два конкретных преимущества наличия малоберцовой кости:

«Одно из преимуществ малоберцовой кости заключается в том, что она увеличивает плечо момента (механическое преимущество) мышц, действующих на голеностопно-стопный комплекс. Второе преимущество заключается в том, что малоберцовая кость увеличивает площадь прикрепления мышц и, следовательно, позволяет большему количеству мышц воздействовать на сустав».

Ответ на «плохой дизайн»

Проведя обзор инженерных функций голеностопного комплекса, Берджесс может ответить на утверждения о том, что многие кости стопы и лодыжки не выполняют никаких функций. В действительности «в данной работе было показано, что все кости голеностопного комплекса играют очень важную роль в специализированных конструктивных особенностях. В частности, пять костей среднего отдела стопы имеют множество функций». Он также окончательно показал, что малоберцовая кость необходима, поскольку она «обеспечивает важную стабильность голеностопного сустава во время пронации, формируя многобалочный механизм связи». Берджесс показывает, что сросшаяся структура голеностопа не будет функционировать лучше, поскольку «в медицине хорошо известно, что сросшиеся кости голеностопа приводят к ухудшению его работы», а относительное движение костей голеностопа обеспечивает различные функции, включая амортизацию.

Одним из основных аргументов против дизайна является то, что голеностопные суставы подвержены растяжениям и другим травмам, однако Берджесс отмечает, что при этом путается неправильное использование с плохим дизайном:

«Важность этого различия можно проиллюстрировать аналогией с современным автомобилем. Большинство современных автомобилей хорошо спроектированы и очень надежны, если находятся в хорошем состоянии и правильно эксплуатируются. Однако, несмотря на высокое качество конструкции, современный автомобиль может выйти из строя при перегрузке, небрежном обращении с ним или просто в очень старом состоянии. Поэтому при рассмотрении неисправностей в суставах важно проверить, почему произошел сбой. Если голеностопный комплекс вышел из строя из-за перегрузки, небрежного обращения или проблем со здоровьем, это не означает, что конструкцию можно считать плохой».

В заключение Берджесс делает четыре вывода:

1. В голеностопном комплексе имеются четыре высокоспециализированные конструктивные особенности

2. Голеностопный комплекс превосходит суставы, созданные человеком

3. Аргументы Ленца в пользу плохой конструкции противоречат научным данным

4. Инженерная мысль объясняет форму и функцию

Последний пункт имеет решающее значение, так как показывает, что для выполнения своих функций голеностопный комплекс должен иметь определенный дизайн и структуру. По словам Берджесса, эта система демонстрирует «очень сложный инженерный дизайн».