در طول تکامل انسان، پا تحت فشارهای انتخابی قوی قرار گرفت. قوس میانی برجسته پای انسان به عنوان یک ویژگی منحصر به فرد در تکامل دوپا بودن عادتی در نظر گرفته می شود. قوس میانی بالا در هومینین‌های فسیلی نشان‌دهنده سازگاری با توانایی اهرمی پا در عملکرد فنر مانند فشار دادن و تحرک است.
از نظر تئوری، قوس طولی منحنی به عنوان یک اهرم تقریباً سفت و سخت برای فشار عمل می‌کند، و تحرک سایر مفاصل باعث می‌شود که پس‌کشی فنر مانند بافت‌های پوشاننده قوس وجود داشته باشد. یک شکاف در تحقیقات در رابطه با نحوه تعامل عقب‌کشی قوس با عملکرد اهرمی آن برای ارتقای حرکت وجود دارد.
زمینه
قوس پای انسان در حالت رانش عقب می نشیند و این پدیده به پلانتارفلکس معروف است. نکته قابل توجه این است که مفاصل میانی پای شامپانزه ها در ابتدا پس از بلند کردن پاشنه دورسی فلکس می شوند. این یک مشاهده جالب است، زیرا شامپانزه‌ها نزدیک‌ترین خویشاوندان زنده انسان‌ها هستند. جالب اینجاست که همه نخستی‌های غیر انسانی شکستگی‌های مشابهی در قسمت میانی پا را تجربه می‌کنند.
لیفت پای عقبی غیرپریمات ها یک “قوس معکوس” را تشکیل می دهد، جایی که قسمت میانی پا در زیر صفحه ای که پاشنه و انگشتان پا را به هم وصل می کند، باقی می ماند. تکیه گاه اهرم پا به جای مفاصل متاتارسوفالانژیال به عنوان قسمت میانی پا عمل می کند. کوتاه شدن اهرم پا مزایای مکانیکی را کاهش می دهد. اگرچه تحرک میانی پا به بالا رفتن کمک می کند، اما کارایی فشار را هنگام راه رفتن دوپا کاهش می دهد.
پایداری قوس‌های طولی در انسان از طریق فاسیای قوی کف پا، رباط‌های کف پا و ساختار قوس بالا آشکار می‌شود. در طول بلند کردن پاشنه، قسمت میانی پا در بالای هواپیما در پاشنه ها و انگشتان پا به هم متصل می ماند. اگرچه برخی از انسان‌ها شکستگی‌های حاشیه‌ای میان پا را تجربه می‌کنند، اما آنها به اندازه سایر نخستی‌ها برجسته نیستند. بنابراین، مفاصل متاتارسوفالانژیال به‌عنوان تکیه‌گاه اهرم پای انسان عمل می‌کنند و در مقایسه با پستانداران با شکستگی میانی پا، به انسان مزیت اهرم اضافی را می‌دهند.
هنوز مشخص نیست که چگونه پلانتارفلکسیون قوس انسان بر عملکرد آن به عنوان یک اهرم تأثیر می گذارد. این درک به درک بهتر واگرایی تکاملی انسان ها از سایر نخستی ها کمک می کند. دانشمندان فرض کردند که پس‌زدگی بافت‌های پوشاننده قوس، کار مکانیکی مورد نیاز را فراهم می‌کند، که در غیر این صورت می‌تواند از طریق هزینه متابولیک توسط ماهیچه‌ها تولید شود. فرضیه دیگر این است که قوس به حرکت مرکز جرم (COM) کمک می کند.
قوس نیز به دویدن کمک می کند. در اینجا، فنر ساق پا با بالا بردن راس پا تقریباً 10 تا 15 میلی متر در نیروی محرکه گسترش می یابد. با این حال، عقب نشینی قوس در مقایسه با COM excursion که نزدیک به 80 میلی متر است، کوچک است. در طول راه رفتن، وضعیت مچ پا تحت تأثیر نوع قوس ایستا قرار می گیرد. در مقایسه با قوس کم، قوس بلند به حالت های فشاری کمک می کند. اگر قوس به اندازه کافی بالا نباشد، مچ پا ممکن است دامنه حرکتی کاهش یافته را نشان دهد.
در مورد مطالعه
اخیرا مرزها در مهندسی زیستی و بیوتکنولوژی مطالعه فرض کرد که قوس برای به حرکت درآوردن COM، که بر وضعیت مچ پا تأثیر می گذارد، پس می کشد. این فرضیه از طریق in vivo آزمایش‌هایی با استفاده از حرکت فردی استخوان پا که از رادیوگرافی ویدئویی دوسطحی به دست آمده است.
در ابتدا، زمان پیشرانه COM و عقب نشینی قوس مقایسه شد. پیش‌بینی می‌شود که پیش‌رانش COM و زمان‌بندی عقب‌نشینی قوس در حین راه رفتن و دویدن هماهنگ شوند. مدلی که از نظر ریاضی عقب‌نشینی قوس را محدود می‌کرد، ایجاد شد اما اهرم‌های مربوط به مفصل متاتارسوفالانژیال (MTPJ) را حفظ کرد.
انتظار می‌رفت که تالوس به‌عنوان راس قوس در هنگام فشار آف در قوس‌هایی که پس می‌زند در مقایسه با قوس‌هایی که زیاد پس نمی‌زند بالاتر باشد. این مشاهدات در یک زمینه تکاملی بر اساس داده‌های مربوط به راه رفتن دوپایی شامپانزه‌ها است. مطالعات قبلی نشان داده‌اند که شامپانزه‌ها دارای قسمت میانی پایی هستند که در مقایسه با انسان‌ها هنگام بلند کردن پاشنه پا به طور قابل‌توجهی کمتر خم می‌شود.
پارامترهای سینماتیکی مانند پلانتارفلکسیون مچ پا و زمان تماس با زمین که بر پیشرانه مچ پا تأثیر می‌گذارند ممکن است تحت تأثیر تحرک پلانتارفلکسیون قوس قرار گیرند. برای درک اینکه آیا شکل قوس و حرکت پویا بر موقعیت جهانی مچ پا در مرحله پیشرانه راه رفتن تأثیر می‌گذارد، شرکت‌کنندگانی با دامنه وسیع تحرک کف پا و انواع پا مورد بررسی قرار گرفتند.
یافته های مطالعه
مطالعه حاضر مشاهده کرد که نه وضعیت تالار سراسری و نه پلانتارفلکسیون مچ پا در هنگام فشار آف با ارتفاع قوس ایستا مرتبط نبودند. این یافته نشان می‌دهد که توانایی انسان برای حرکت به صورت دوپا، به‌ویژه در هنگام فشار آف، به طور قوی با تحرک کف پا در قوس نسبت به وضعیت آن مرتبط است.
این مطالعه تاکید می‌کند که حرکت قوس کف پا، قطعه کلیدی پازل تکاملی است. در مقایسه با دیگر پستانداران، یک پیوند عملکردی بین ساختار قوس و عقب‌نشینی قوس در رانش ممکن است به حرکت دوپا در انسان کمک کند. نویسندگان دو دلیل غیر انحصاری متقابل را برای توضیح قوس میانی برجسته در انسان پیشنهاد کردند.
اولاً، قوس ذاتاً سطح مفصلی فوقانی تالوس را به صورت عمودی جهت می‌دهد، به طوری که حتی در صورت عدم پس‌زدگی قوس، در مقایسه با پاهای غیرقوس دار شامپانزه‌ها، وضعیت عمودی خود را حفظ می‌کند.
ثانیاً، بافت‌های پوشاننده قوس انسان، بازوهای لحظه‌ای بلندتری را در مفاصل میانی پا نشان می‌دهند تا نسبت به شامپانزه‌ها، پس‌زدگی قوس بیشتری ایجاد شود. در شامپانزه ها، به دلیل نداشتن قوس، قسمت میانی پا ظرفیت کمتری برای پس زدن و تغییر جهت دادن تالوس به سمت قائم ماندن از خود نشان می دهد.
نتیجه گیری
با در نظر گرفتن کلیت یافته‌های تجربی، نویسندگان به این نتیجه رسیدند که تکامل یک قوس ساختاری برای عملکرد پشت سر هم با قوس عقب‌نشینی به حرکت دوپایی عمودی در انسان کمک می‌کند. برای تایید این مشاهدات به تحقیقات بیشتری نیاز است.