Как обувь меняет структуру стопы: сравнение современных людей и охотников-собирателей

Когда антропологи находят окаменевшие кости древних предков человека, главная задача исследователей — понять, как эти существа двигались при жизни. Умели ли они ходить прямо, насколько уверенно держались на двух ногах и проводили ли часть времени на деревьях.

Чтобы ответить на эти вопросы, строение ископаемых костей всегда сопоставляют с анатомией современного человека разумного (Homo sapiens). Считается, что современный человек служит надежным эталоном полностью развитого и специализированного прямохождения.

Однако у этого научного метода есть фундаментальный изъян, на который долгое время закрывали глаза.

Практически все анатомические коллекции скелетов, доступные сегодня ученым в университетах и музеях, сформированы за счет жителей крупных городов Европы и Северной Америки XIX—XX вв.еков. Это люди, которые провели жизнь в плотной закрытой обуви с жесткой подошвой и ходили почти исключительно по ровному твердому покрытию — асфальту, плитке и деревянным полам.

Костная ткань живого человека — это не застывшая минеральная форма. Она непрерывно перестраивается в течение всей жизни, чутко реагируя на любые изменения физического давления, углы наклона суставов и уровень подвижности.

Группа антропологов и специалистов по биомеханике под руководством Ханны Фаррелл из Чикагского университета провела детальное исследование внутренней структуры костей стопы. Результаты работы, опубликованные в научном издании Journal of Anatomy, показали: постоянное ношение обуви перестраивает внутреннее вещество кости до такой степени, что современный городской житель больше не может считаться универсальным анатомическим образцом для изучения человеческой эволюции.

Что скрыто внутри таранной кости

В центре внимания исследователей оказалась таранная кость. Это одна из ключевых костей нижней конечности, расположенная прямо в центре голеностопного сустава. Сверху она соединяется с костями голени — большеберцовой и малоберцовой, а снизу опирается на пяточную кость и соединяется с ладьевидной костью стопы.

Таранная кость уникальна с точки зрения анатомии. К ней не прикрепляется ни одна мышца или сухожилие. Вся ее роль заключается в механической передаче: через нее масса всего тела переносится с ноги на стопу при каждом шаге, беге или стоянии.

Снаружи кость покрыта плотным и прочным кортикальным слоем, но ее внутреннее пространство заполнено губчатым веществом. Это сложная трехмерная сеть из множества микроскопических костных перегородок — трабекул. Между ними находится костный мозг и кровеносные сосуды.

Трабекулы обладают свойством функциональной адаптации. Если определенный участок кости изо дня в день испытывает высокое механическое давление, специализированные клетки — остеобласты — начинают вырабатывать дополнительное костное вещество, делая перегородки толще.

Если же нагрузка на участок исчезает или снижается, другие клетки — остеокласты — постепенно растворяют ненужную костную ткань.

Кроме того, эти внутренние перегородки меняют свою пространственную ориентацию. Если сустав изо дня в день сжимается под одним и тем же углом, трабекулы постепенно разворачиваются и выстраиваются параллельно главному направлению сжимающей силы.

Физики и биомеханики описывают это явление термином «анизотропия». Высокая степень анизотропии означает, что внутренняя структура строго упорядочена и направлена в одну определенную сторону. Низкая степень анизотропии (изотропия), наоборот, показывает, что костные перегородки ориентированы равномерно во всех направлениях, поскольку сустав регулярно испытывает нагрузки под самыми разными углами.

Изучение трабекул позволяет буквально прочесть механическую историю движений конкретного человека.

Сравнение двух образов жизни

Чтобы выяснить, как именно обувь влияет на внутреннюю организацию стопы, авторы исследования применили метод микрокомпьютерной томографии с высоким пространственным разрешением. Этот метод позволяет создать цифровую трехмерную модель кости и заглянуть внутрь нее с точностью до сотых долей миллиметра.

Ученые использовали современный вычислительный метод — канонический целостный морфометрический анализ. Каждую отсканированную таранную кость программно разделяли более чем на 43 000 микроскопических объемных зон (тетраэдров). В каждой из этих точек компьютер измерял несколько ключевых параметров:

1. Объемную долю кости: процент пространства, занятый непосредственно костной тканью, а не пустотами.
2. Степень анизотропии: насколько строго внутренние перегородки выстроены в одном направлении.
3. Толщину трабекул: средний физический диаметр костных перегородок.
4. Количество и расстояние между трабекулами: насколько плотно перегородки расположены относительно друг друга.

Для анализа авторы собрали две группы людей.

Первую группу составили 40 современных жителей США из донорских анатомических коллекций трех американских университетов. Все они при жизни постоянно носили фабричную обувь, вели типичный постиндустриальный образ жизни, и на момент смерти их возраст не превышал 50 лет (чтобы исключить возрастное истончение костей из-за остеопороза).

Вторую группу составили 16 человек из популяций, которые никогда не пользовались обувью. Основу этой группы составили 13 скелетов коренных жителей Андаманских островов, живших во второй половине XIX века (коллекция Музея естественной истории в Лондоне).

Андаманцы были охотниками-собирателями, добывавшими пищу на суше и в прибрежных водах, и постоянно передвигались босиком по песчаному, каменистому и лесному грунту. Они также не достигли пожилого возраста на момент смерти.

Для проверки универсальности данных к группе андаманцев добавили останки двух представителей южноафриканского народа сан (койсаны), занимавшихся пешей загонной охотой на большие расстояния, и одного пигмея ака — охотника-собирателя из густых тропических лесов Центральной Африки.

Неожиданный результат: плотность кости в обуви оказалась выше

Перед началом сканирования исследователи выдвинули логичную гипотезу. Традиционные охотники-собиратели проводят на ногах значительно больше времени, чем офисные работники или городские жители. Следовательно, из-за высокой двигательной активности кости босоногих людей должны быть плотнее, а костные перегородки внутри них — массивнее и толще.

Результаты измерений полностью опровергли это предположение.

Средняя объемная доля костной ткани в таранной кости у людей, носивших обувь, оказалась не ниже, а статистически достоверно выше, чем у людей, ходивших босиком (p = 0,0469).

Более детальный анализ помог объяснить этот парадокс. Он обусловлен двумя факторами: разницей в массе тела и тем, как обувь меняет физику контакта стопы с поверхностью.

Во-первых, современные люди значительно крупнее и тяжелее представителей традиционных невысоких популяций, таких как андаманцы или пигмеи ака. Математический анализ показал, что индекс массы тела (ИМТ) напрямую связан с плотностью таранной кости и объясняет примерно 27% всех различий в объеме костной ткани. Чем больше вес, который давит на стопу сверху, тем больше костного материала требуется организму для поддержания стабильности скелета.

Во-вторых, жесткая подошва меняет сам механизм походки. Кожа человеческой стопы насыщена огромным количеством нервных окончаний. Когда человек идет или бежит босиком, мозг непрерывно получает информацию о твердости грунта, наклоне поверхности и силе давления. Чтобы защитить суставы от резкого сотрясения, босой человек инстинктивно приземляется мягко — опуская ногу на переднюю или среднюю часть стопы, активно включая мышцы стопы и слегка сгибая колено для гашения силы удара.

Обувь с упругой и толстой подметкой блокирует эту чувствительность. Человек в обуви не ощущает резкого удара и практически всегда делает широкий шаг, тяжело приземляясь прямо на пятку. Время контакта задней части стопы с поверхностью увеличивается, а так называемая эффективная масса в момент приземления резко возрастает.

Ударная сила при каждом шаге в обуви передается непосредственно вверх — через пяточную кость прямо в таранную. Организм компенсирует это постоянное давление локальным утолщением костных балок, стремясь выдержать грубую вертикальную перегрузку.

Направленные ряды против всесторонней устойчивости

Главное и самое глубокое различие между двумя группами обнаружилось не в количестве костной ткани, а в направлении ее внутренних элементов.

Степень анизотропии у людей, носивших обувь, оказалась существенно выше по всему объему таранной кости (p = 0,00005).

Это означает, что внутри кости у обутого человека микроскопические костные балки строго ориентированы вдоль одной оси. Обычный ботинок, имеющий закрытый плотный верх и жесткую негнущуюся подошву, механически фиксирует стопу. Он не дает суставам свободно отклоняться вправо или влево, стабилизирует пальцы и сводит движения голеностопа к однообразному перемещению строго вперед и назад по плоской горизонтали.

В результате сустав изо дня в день сжимается по одной и той же траектории. Костная ткань избавляется от поперечных связей за их ненадобностью и выстраивает внутренние структуры в виде плотных параллельных рядов, рассчитанных исключительно на этот единственный вектор нагрузки.

У людей, которые всю жизнь ходили босиком, таранная кость устроена принципиально иначе. Когда нога ступает по сыпучему песку, корням деревьев, скользким камням или лесному валежнику, голеностопный сустав совершает микродвижения во всех плоскостях. Стопа постоянно наклоняется наружу и внутрь, скручивается и адаптируется к неровностям рельефа.

Из-за этого механическое давление передается через кость под постоянно меняющимися углами. В ответ костная ткань формирует изотропную структуру: перегородки внутри таранной кости андаманцев и койсанов направлены в разные стороны, создавая сложную сетку, способную равномерно выдерживать разнонаправленные нагрузки со всех сторон.

Таким образом, обувь резко упрощает работу сустава, лишая его естественной подвижности и вынуждая кость приспосабливаться к однообразному движению.

Картография сустава: приподнятая пятка против глубокого приседа

Анализ плотности в конкретных анатомических зонах таранной кости позволил буквально увидеть, в каких позах проводили свое время представители обеих групп.

У людей, носивших обувь, самые плотные участки кости сосредоточены в задней части блока таранной кости, а также на ее внутренней (медиальной) стороне.

Это прямое следствие конструкции современной обуви:

• Практически любая обувь — от классических мужских туфель до стандартных спортивных кроссовок — имеет подошву с перепадом высоты между пяткой и передней частью (так называемый подъем пятки). Из-за этого стопа постоянно находится в положении подошвенного сгибания, то есть слегка наклонена носком вниз. В таком положении вес тела смещается назад, вдавливая задний край сустава и заставляя сухожилие длинного сгибателя большого пальца с повышенной силой прижиматься к задней костной борозде.
• Кроме того, жесткая подошва усиливает тенденцию стопы заваливаться внутрь при ходьбе (пронация), из-за чего внутренняя часть сустава принимает на себя избыточное давление.

У людей, ходивших босиком, картина оказалась зеркально противоположной. Зоны максимальной плотности кости у них смещены в переднюю часть — на шейку и головку таранной кости, ближе к основанию пальцев.

Такое распределение костной массы возникает только в одном случае: при сильном тыльном сгибании, когда угол между передней поверхностью голени и верхней частью стопы становится острым.

Для охотников-собирателей характерны две регулярные физические активности, требующие предельного тыльного сгибания:

1. Лазание по деревьям, при котором стопа упирается в ствол под крутым углом.
2. Длительный отдых в положении глубокого приседа (на корточках). В традиционных обществах, где нет стульев, люди проводят часы у костра, обрабатывая пищу или общаясь, сидя на корточках с полной опорой на всю плоскость стопы.

При таком глубоком приседе передний край большеберцовой кости плотно прижимается к шейке таранной кости. Многолетнее повторение этой позы оставляет заметный след: кость целенаправленно наращивает толщину микроперегородок именно в этой передней зоне, укрепляя участок регулярного контакта.

Почему это меняет взгляд на эволюцию человека

Значение этого исследования выходит далеко за рамки ортопедии и биомеханики стопы. Оно ставит фундаментальный вопрос перед палеоантропологами, изучающими происхождение нашего вида.

Один из главных споров в науке об эволюции человека касается того, когда именно наши предки окончательно слезли с деревьев и стали передвигаться исключительно по земле. Находя останки древних гоминидов — таких как знаменитая самка австралопитека Люси (Australopithecus afarensis) возрастом более трех миллионов лет, люди из пещеры Райзинг-Стар (Homo naledi) или карликовые люди с острова Флорес (Homo floresiensis), — ученые исследуют ориентацию трабекул в их суставах.

Если внутри ископаемой кости исследователи видели сетку, которая не похожа на четко ориентированные, параллельные структуры современного человека, часто делался вывод: прямохождение этого древнего вида было несовершенным, походка была неуклюжей, а сам он сохранял значительную зависимость от древесного образа жизни.

Однако исследование команды Фаррелл показывает, что базовое предположение ученых было ошибочным.

Эталоном для сравнения все это время служил не естественный биологический вид Homo sapiens, а узкая выборка людей, анатомия которых была искусственно изменена обувью и ровными городскими полами.

Трабекулярная сеть древних гоминидов не похожа на кости современного горожанина вовсе не обязательно потому, что австралопитеки или хабилисы плохо ходили. В действительности они не похожи на нас ровно по той же причине, по которой на нас не похожи кости босоногих андаманских охотников или койсанов: их скелет формировался в условиях свободного движения босой ноги по сложному природному рельефу.

Это открытие заставляет антропологов пересмотреть методику анализа древних окаменелостей. Прежде чем делать выводы о примитивности или незавершенности эволюции предков человека, науке необходимо использовать в качестве эталона тех представителей нашего собственного вида, чья анатомия не была модифицирована жесткой подошвой и каблуком. Обычная обувь оказалась культурным фактором, который незаметно для исследователей оставил постоянный структурный след в глубине опорно-двигательного аппарата человека.

Источник: Journal of Anatomy