Eine neue Studie hat gezeigt, dass Menschen möglicherweise einen federartigen 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 erhöhte Fußgewölbe uns beim Gehen hilft, indem es als Hebel fungiert, der den Körper vorwärts treibt.
Doch ein globales Wissenschaftlerteam hat nun herausgefunden, dass der Rückstoß des flexiblen Fußgewölbes den Knöchel aufrichtet und so ein effektiveres Gehen ermöglicht. Die Auswirkungen beim 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 der Fußprobleme 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 Grenzen in Bioingenieurwesen und Biotechnologie, der die Forschung während seines Studiums an der Queen’s University durchführte und jetzt der University of Wisconsin-Madison angegliedert ist. „Es stellt sich heraus, dass stattdessen der federartige Bogen zurückfedert, um dem Knöchel dabei zu helfen, den Körper anzuheben.“
Schritt für Schritt
Die Entwicklung unserer Füße, einschließlich des erhöhten Mittelgewölbes, das uns von Menschenaffen unterscheidet, ist für das zweibeinige Gehen von entscheidender Bedeutung. Es wird angenommen, dass der Fußgewölbe Homininen beim aufrechten Gehen mehr Hebelkraft verleiht: Der Mechanismus ist unklar, aber wenn die Bewegung des Fußgewölbes eingeschränkt ist, erfordert das Laufen mehr Energie. Der Rückstoß des Fußgewölbes könnte uns möglicherweise zu effizienteren Läufern machen, indem er die Körpermitte nach vorne treibt oder 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-Röntgenkameras gefilmt wurden. Die Höhe des Fußgewölbes jedes Teilnehmers wurde gemessen und sein rechter Fuß wurde einem CT-Scan unterzogen.
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 Rückstoß des Fußgewölbes beitrugen, und welchen Beitrag der Rückstoß des Fußgewölbes zum Schwerpunkt und zum Vortrieb des Knöchels beitrug.
Neigung zum Bipedalismus
Obwohl die Wissenschaftler erwarteten, dass der Rückstoß des Fußgewölbes dem starren Hebel des Fußgewölbes hilft, den Körper anzuheben, entdeckten sie, dass ein starres Fußgewölbe ohne Rückstoß entweder dazu führte, dass der Fuß den Boden früher verließ, was wahrscheinlich die Leistungsfähigkeit der Wadenmuskeln verringerte, oder neigte die Knöchel zu weit nach vorne.
Die Vorwärtsneigung spiegelt eher die Haltung laufender Schimpansen wider als die aufrechte Haltung, die für den menschlichen Gang charakteristisch ist. Das flexible Fußgewölbe trug dazu bei, den Knöchel wieder aufzurichten, sodass sich das Bein effektiver vom Boden abstoßen kann. Dieser Effekt ist beim Laufen sogar noch größer, was darauf hindeutet, dass effizientes Laufen ein evolutionärer Druck zugunsten des flexiblen Fußgewölbes 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. Änderungen an diesem Gelenk könnten uns helfen, die Entwicklung des Bipedalismus im Fossilienbestand von Homininen zu verfolgen.
„Die Beweglichkeit unserer Füße scheint es uns zu ermöglichen, aufrecht zu gehen und zu laufen, anstatt uns entweder nach vorne zu ducken oder zu früh zum nächsten Schritt abzustoßen“, sagte Dr. Michael Rainbow von der Queen’s University, leitender Autor.
Therapeutisches Potenzial
Diese Ergebnisse legen auch therapeutische Möglichkeiten für Menschen nahe, deren Fußgewölbe aufgrund einer Verletzung oder Krankheit steif ist: Die Unterstützung der Flexibilität des Fußgewölbes könnte die allgemeine Mobilität verbessern.
„Unsere Arbeit legt nahe, dass die Bewegung effizienter ist, wenn man die Bewegung des Bogens während des Vortriebs ermöglicht“, sagte Welte. „Wenn wir die Bewegung des Fußgewölbes einschränken, ist es wahrscheinlich, dass sich die Funktion der anderen Gelenke entsprechend verändert.“
„Zu diesem Zeitpunkt muss unsere Hypothese weiter überprüft werden, da wir überprüfen müssen, ob Unterschiede in der Fußbeweglichkeit in der Bevölkerung zu den Veränderungen führen, die wir in unserer begrenzten Stichprobe sehen“, sagte Rainbow. „Dennoch bereitet unsere Arbeit die Bühne für einen spannenden neuen Forschungsweg.“
Mehr Informationen:
Michael Rainbow et al.: Die Beweglichkeit des medialen Fußgewölbes des menschlichen Fußes ermöglicht eine aufrechte bipedale Fortbewegung. Grenzen in Bioingenieurwesen und Biotechnologie (2023). DOI: 10.3389/fbioe.2023.1155439