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进化如何超越跳跃啮齿动物的最佳骨骼结构

在小型跳跃啮齿动物中分离的足骨在它们较大的表亲中融合在一起,密歇根大学和加利福尼亚大学圣地亚哥分校的一组研究人员想知道原因。

似乎一旦进化使跳鼠的骨头走上融合的道路,它们就会超过最佳融合量——这种结构能最好地分散跳跃和着陆时产生的压力——从而完全粘合。

这一发现可以为未来机器人腿的设计提供信息,这些腿能够承受与敏捷运动的快速爆发相关的更高的力。

跳鼠是沙漠啮齿动物,它们不规则地用两条腿跳跃以躲避捕食者。 在跳鼠的家谱中,这两条腿看起来有很大不同:有些物种的重量只有 3 克,有些则重 400 克,较重的物种的脚骨或跖骨大不相同。 较轻的跳鼠与大多数其他哺乳动物(包括人类)一样:它们的跖骨彼此分开。

“我们想探索为什么我们只在更大的跳鼠身上看到这些融合的骨头,”密歇根大学机械工程博士生、该研究的第一作者 Carla Nathaly Villacís Núñez 说。 英国皇家学会学报 B.

“我们发现融合的骨头比未融合的骨头表现出更低的压力,从而加强了更高的负荷,”她说。 “但我们还发现,部分融合的骨骼比完全融合的骨骼具有更低的压力。一种假设是完全融合的跳鼠具有进化过度。”

为了研究跨物种的骨骼性能,研究人员对博物馆标本进行了微 CT 扫描,并在软件中构建了跳鼠跖骨的 3D 模型,然后将它们缩放到相同的大小,并在它们撞击、弯曲和跳离表面时对其进行压力测试.

较小的跳鼠具有三个独立的跖骨,即使用于高冲击力的跳跃,也能够支撑啮齿动物的小身材。 最近,更大的跳鼠物种已将这三块骨头完全融合为一体。 中等重量的物种有一些介于两者之间的东西:一个带有内部残留骨头的跖骨,它已经部分融合在一起,就像一束棍子。

“我们的跨学科团队应用最先进的工程技术来解开一个进化难题,”UM 机器人学助理教授和该研究的高级作者 Talia Moore 说。

“进化达到了部分融合几何的有利点,但随后进化动力可能继续完全融合跖骨。因为完全融合的骨骼仍然足以防止断裂,所以可能没有停止融合的进化压力。”

研究小组指出,类似的分析可以帮助揭示骨骼改变形状以补偿物种从四足或四足行走到双足运动的其他方式。

“虽然袋鼠、灵长类动物和其他啮齿动物趋同于双足行走,但它们的运动动力学和与这种转变相关的解剖学变化在每种情况下都大不相同,”摩尔实验室学习材料科学与工程的本科生安德鲁·雷说。

“通过类似的分析,我们可以模拟已灭绝的人类祖先的足骨在行走、跑步或其他运动过程中如何承受压力。”

另一位作者是加州大学圣地亚哥分校发育生物学教授金伯利·库珀,他在一项追踪跳鼠跖骨融合进化和发展的单独研究中与摩尔一起制定了该项目的想法。 Cooper 的专业知识是理解这些发现的进化意义的关键。

该研究部分得到了哈佛查普曼纪念奖学金、大卫洛克菲勒拉丁美洲研究中心合作研究资助以及 UM 机械工程研究、创新、服务和创业计划的支持。

故事来源:

提供的材料 密歇根大学. 丹纽曼原著。 注意:内容可能会根据样式和长度进行编辑。

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