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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
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