Анатомія і фізіологія
Категорії / Біологія / Анатомія і фізіологія / Рецензована стаття відповідає на твердження про «поганий дизайн» комплексу стопа-гомілкостоп людини

Рецензована стаття відповідає на твердження про «поганий дизайн» комплексу стопа-гомілкостоп людини

В рецензованій статті опублікованій в журналі BIO-Complexity, професор інженерних наук Брістольського університету Стюарт Берджесс пояснює, Чому комплекс «щиколотка-нога» є шедевром інженерного мистецтва й спростування аргументів «поганого дизайну». Вона сформульована як відповідь на аргументи ID-критиків, таких як Джеремі ДеСілва й Натан Ленц. Ці критики стверджують, що комплекс стопи й гомілкостопа людини є неоптимальним, оскільки відображає некерований процес, під час якого еволюція намагалася перетворити скелетну структуру, пристосовану до чотириногого пересування, на двоногу. У відповідь Берджесс стверджує, що гомілковостопний комплекс «демонструє дуже високий ступінь складності та тонкого налаштування» й «майстерність інженера». Ба більше, «інженерний аналіз показує тісний взаємозв'язок між формою й функцією гомілковостопного суглоба, що простежується в його численних кістках й розташуванні цих кісток», а «п'ять кісток середньої частини стопи потрібні для формування оптимального кінематичного й структурного інтерфейсу між задньою й передньою частинами стопи».

Берджесс зазначає, що багато вчених, які вивчали стопу без упередженого ставлення, визнавали її «чудовий дизайн». Він цитує Леонардо да Вінчі, який назвав людську стопу «шедевром інженерного мистецтва й витвором мистецтва», й сучасніших дослідників, які відзначають «ходу людини, яка майже не потребує зусиль», або зазначають, що різні структури стопи «працюють в ідеальній синхронізації», оскільки вона «чудово сконструйована для пересування».

Контраст із «поганим дизайном»

Прихильники «поганого дизайну», навпаки, вважають, що більшість із семи кісток гомілкостопа безглузді, погано скоординовані і, в принципі, є поганим дизайном, оскільки «"зрощена структура» працюватиме краще, ніж «суглоб із такою кількістю окремих частин». На аргументи про те, що гомілкостоп погано пристосований для двоногого пересування, оскільки від початку був створений для чотирилапих, Берджесс відповідає, що такі аргументи «ґрунтуються на кругових міркуваннях та припущеннях про те, що еволюція могла або не могла зробити в минулому». Він вважає, що «ефективнішим науковим підходом до оцінки якості конструкції є вивчення реальної біомеханіки та функцій стопи».

Берджесс зазначає, що «вимоги до маневреного двоногого руху надзвичайно високі». Адже стопа має бути «компактним багатофункціональним прецизійним пристроєм», який має виконувати безліч вимог, що часом суперечать одна одній:

1. Виконувати роль сильного й жорсткого важеля, що приводить тіло в рух під час ходіння та бігу. Рух в суглобі [згинання пальців стопи] – плантарфлексія.

2. Виконувати роль гнучкої платформи для амортизації ударів та адаптації до нерівної поверхні. Рухи в суглобах включають дорсифлексію [тильне згинання стопи], пронацію [здатність стопи вивертатися всередину] й супінацію [здатність стопи вивертатися в зовнішній бік – прим. перекл.].

3. Забезпечувати триточковий контакт із землею, даючи змогу стояти на одній або двох ногах, а також контрольоване відштовхування від землі. Управління має включати тонке налаштування напрямку, а також силу.

Складні та суперечливі вимоги

При цьому Берджесс зазначає, що «вимоги жорсткого важеля й гнучкої платформи важко виконати, оскільки вони суперечать одна одній. Для виконання цих двох вимог стопа повинна мати жорсткість та гнучкість в потрібних місцях. Окрім того, стопа повинна мати здатність регулювати жорсткість за рахунок точного управління м'язами». Стопа здатна досягти цього завдяки тому, що вона «має три взаємопов'язаних гнучких склепіння, які виконують безліч функцій, зокрема, триточковий контакт із землею, жорсткий важіль для відштовхування й гнучкість для амортизації». Берджесс зазначає наскільки добре спроектовані ці склепіння:

«Існує кілька особливостей, що підтримують цілісність склепінь: (І) склепіння стопи сегментовані, як римська арка, що спричиняє стискаютьчі зусилля, зокрема, на кістку, яка утворює наріжний камінь склепіння; (ІІ) короткі зв'язки, які зв'язують сусідні кістки між собою; (ІІІ) довші зв'язки (наприклад, підошовна п'ятково-човноподібна зв'язка), які пов'язують склепіння через кілька кісток; (IV) групи м'язів й сухожилків, які діють, як праща, підтягуючи склепіння догори; та (V) м'язи, які додають склепінню жорсткості».

Далі він зазначає, що кістки середньої частини стопи дають їй змогу виконувати п'ять основних підфункцій, включно із забезпеченням «гнучкого поперечного склепіння», «несучої конструкції під час пронації», «кінематичного інтерфейсу для пронації-супінації», «структурного інтерфейсу для поздовжніх навантажень» та «жорсткості медіального склепіння».

Берджесс також вважає, що «ще однією спеціалізованою конструктивною особливістю гомілковостопного комплексу є еластичні шарнірні з'єднання», оскільки близько 17 таких з'єднань забезпечують «значну гнучкість» стопи, а також сприяють амортизації. Насправді, на думку Берджесса, ці еластичні шарнірні з'єднання виконують щонайменше п'ять підфункцій, включно з «(І) гнучкістю; (ІІ) перенесенням навантаження; (ІІІ) накопиченням енергії; (ІV) безвідмовністю та (V) наднизьким тертям».

Прихильники «поганого дизайну» запитують, чому в нижній частині ноги над щиколоткою є парні кістки, а не одна. Берджесс зазначає, що для цього є вагомі причини, оскільки малогомілкова кістка «добре відома тим, що забезпечує стабільність гомілковостопного суглоба» через «тип системи зв'язків із кількома перекладинами». Він наводить дві конкретні переваги наявності малогомілкової кістки:

«Одна з переваг малогомілкової кістки полягає в тому, що вона збільшує плече моменту (механічна перевага) м'язів, що діють на гомілковостопно-стопний комплекс. Друга перевага полягає в тому, що малогомілкова кістка збільшує площу прикріплення м'язів, а, отже, дає змогу більшій кількості м'язів впливати на суглоб».

Відповідь на «поганий дизайн»

Провівши огляд інженерних функцій гомілковостопного комплексу, Берджесс може відповісти на твердження про те, що багато кісток стопи й щиколотки не виконують жодних функцій. Насправді «в цій роботі було показано, що всі кістки гомілковостопного комплексу відіграють дуже важливу роль в спеціалізованих конструктивних особливостях. Зокрема, п'ять кісток середнього відділу стопи мають безліч функцій». Він також остаточно показав, що малогомілкова кістка необхідна, оскільки вона «забезпечує важливу стабільність гомілковостопного суглоба під час пронації, формуючи багатобалковий механізм зв'язку». Берджесс показує, що зрощена структура гомілкостопа не буде функціонувати краще, оскільки «в медицині добре відомо, що зрощені кістки гомілкостопа призводять до погіршення його роботи», а відносний рух кісток гомілкостопа забезпечує різні функції, включно з амортизацією.

Одним з основних аргументів проти дизайну є те, що гомілковостопні суглоби схильні до розтягнень та інших травм, однак Берджесс зазначає, що при цьому плутають неправильне використання з поганим дизайном:

«Важливість цієї відмінності можна проілюструвати аналогією з сучасним автомобілем. Більшість сучасних автомобілів добре спроектовані й дуже надійні, якщо перебувають в хорошому стані та правильно експлуатуються. Однак, незважаючи на високу якість конструкції, сучасний автомобіль може вийти з ладу в разі перевантаження, недбалого поводження з ним або просто в дуже старому стані. Тому під час розгляду несправностей в суглобах важливо перевірити, чому стався збій. Якщо гомілковостопний комплекс вийшов з ладу через перевантаження, недбале поводження або проблеми зі здоров'ям, це не означає, що конструкцію можна вважати поганою».

На закінчення Берджесс робить чотири висновки:

1. В гомілковостопному комплексі є чотири високоспеціалізовані конструктивні особливості

2. Гомілковостопний комплекс перевершує суглоби створені людиною

3 Аргументи Ленца на користь поганої конструкції суперечать науковим даним

4. Інженерна думка пояснює форму та функцію

Останній пункт має вирішальне значення, оскільки показує, що для виконання своїх функцій гомілковостопний комплекс повинен мати певний дизайн та структуру. За словами Берджесса, ця система демонструє «дуже складний інженерний дизайн».

Читайте Креацентр Планета Земля в Telegram і Viber, щоб бути в курсі останніх новин.

Вас також може зацікавити: