财新传媒
位置:博客 > 知识分子 > 为何人类长跑贼厉害?肋骨或是关键!

为何人类长跑贼厉害?肋骨或是关键!

文 | 廖俊棋 责编 | 岭 桐
若论短跑速度,人类在动物界成绩平平。但是在长跑的耐久力方面,人类绝对是优秀选手。例如曾有研究指出,在炎热的天气下,人类长跑时完全有机会跑赢马匹 [1]。相比之下,我们的灵长动物近亲,比如黑猩猩,它们跑上不超过100米就要气喘吁吁地休息半天 [2-6]。
 
那么,人类为什么会有如此突出的耐力?是身体的哪些结构使我们跑得更久、更远了呢?
 
近日,哈佛大学的研究团队对此问题进行了回答。他们在《实验生物学》(Journal of Experimental Biology)杂志上发表的研究显示:人类长跑这么厉害,肋骨的功劳可不小 [2]。
 
为了进行实验,他们找了10位年轻运动员站上跑步机,并测试人体在悠闲漫步和拔腿狂奔的情况下,胸廓以及呼吸程度的变化。作为对照,他们也用了好几盒零食作为“贿赂”,说服了猎犬和山羊站到跑步机上配合实验。
 
一般来说,吸氧量是运动耐力的决定性因素。当动物对氧气有更大需求时,会收缩胸部的横膈膜来增加氧气吸入量,也就是健身人士所说的 “腹式呼吸”。这种变化在受试的人类、狗以及山羊身上都可见到。
 
但是研究发现,善于长途奔袭的人类,还多了一项秘密武器:我们的胸廓除了可以向前扩展外,还可以向两侧扩展。相比之下,狗和山羊的胸部都不能向身体两侧扩张。所以,在这三种动物中,运动时吸气量扩张最明显的是人类,猎犬次之,山羊最差,而三者跑步的耐力也是依次变弱。
 
可是问题又来了:为什么我们人类的胸廓能向两侧扩张,从而获得更大的吸气量呢?
人类的胸廓结构。(图源:Henry Vandyke Carter | Wikimedia Commons)
 
为了解开胸廓扩张的秘密,研究团队将目光移到了骨骼标本上。他们对超过10种生物的肋骨和背椎关节面进行三维分析,这包括人类、黑猩猩、马、犀牛、狗、熊等等。
 
在经过一系列的拍照、数据采集以及3D重建之后,研究团队发现,胸廓的扩张能力实际上和肋骨的关节面有关系。当肋骨头和脊椎的关节面非常平坦的时候,胸廓的灵活度就越低,也越难以大幅度扩张,以及进行需要持久力的运动。另一方面,像人这样能进行持久运动的动物,肋骨和脊椎的关节面就比较弯曲,属于 “一凸一凹” 或是 “一凹一凸” 的关节方式,就好似乐高积木一样。这让他们的胸廓能有更大的扩展幅度。
 
在此基础上,该团队更进一步研究已经灭绝的人类化石类群。他们观察了从最古老的南方古猿(也就是著名的露西)到直立人、尼安德塔人等古人类的胸廓结构。研究明确地发现,人类的肋骨关节也随着站立起来行走或奔跑后,得到的演化适应。在人类刚刚学会直立行走的初期,例如将近300多万年前的南方古猿,他们的肋骨关节形态就和黑猩猩比较接近,属于更为平坦的类型。而随着时间推移,我们祖先的适应起完全的双足步行的直立生活,为了能更好的适应采集、狩猎的环境,他们逐渐发展出能长途跋涉的能力,而肋骨的形态也发生了变化。
 
 
不过,演化是个复杂的过程,每个新特征或能力的出现,都牵涉了许多器官上、构造上的改变才能达成。人类演化出长跑的耐力,除了胸廓的改变外,还要配合肌肉、神经、心肺功能和散热能力的演化。因此,这次的研究还仅是为人类演化谜团拚上一小片拼图,日后还有更多人类演化之谜等待我们逐步揭开。
 
主要参考文献:
 
1. Daniel E. Lieberman and Dennis M. Bramble.2007. “The Evolution of Marathon Running Capabilities in Humans.” SportsMedicine, 37, 4-5, Pp. 288-290.
 
2. Callison, W. É., Holowka, N. B. andLieberman, D. E. (2019). Thoracic adaptations for ventilation during locomotionin humans and other mammals. J. Exp. Biol. 222, jeb189357.doi:10.1242/jeb.189357
 
3. Kathryn Knight (2019). Flexible rib jointfrees running humans.Journal of Experimental Biology (2019) 222, jeb216358.doi:10.1242/jeb.216358
 
4. Hunt, K. D. (1991). Mechanicalimplications of chimpanzee positional behavior.Am. J. Phys. Anthropol. 86,521-536. doi:10.1002/ajpa.1330860408
 
5. Bramble, D. M. and Lieberman, D. E.(2004). Endurance running and the evolutionof Homo. Nature 432, 345-352.doi:10.1038/nature03052
 
6. Garland, T. (1983). The relation betweenmaximal running speed and body mass interrestrial mammals. J. Zool. 199,157-170. doi:10.1111/j.1469-7998.1983.tb02087.x
推荐 2