生物学家剖析人类足部

本文最初发表于我们 2022 年 11 月/12 月刊，题为“On Foot”。点击此处订阅以阅读更多此类文章。

步行出行并不是一种特别引人注目的出行方式。诚然，它有明确的健康、社交和环境效益。但步行……嗯，就是很普通，对许多人来说，跑步是一种负担——或者是在赶不上公交车时要做的事情。

然而，根据人类演化生物学家 Daniel Lieberman 的说法，这些活动是理解什么使我们成为人类的关键。当我们的祖先适应用两条腿而不是四条腿移动时，这种调整对人类身体几乎每一个部分都留下了印记，从头到脚（甚至我们的臀部）。

Lieberman 和他在哈佛大学骨骼生物学与生物力学实验室的团队利用化石记录、实验室生物力学实验和实地研究的证据，构建模型来解释人类体育活动的演化。他为大众读者撰写了两本关于该主题的书：《人类身体的故事》（The Story of the Human Body，2014 年）和《运动》（Exercised，2021 年）。

在 2010 年发表于《自然》（Nature）杂志的一项研究中，Lieberman 提出赤脚或穿着极简鞋垫鞋跑步——就像我们的祖先那样——通常会导致跑步者用前脚掌着地，这可能可以保护脚部免受高冲击伤害。因此，他被昵称为“赤脚教授”。他本人也是一名狂热的跑步者（曾 11 次参加波士顿马拉松），多年来他一直穿着极简鞋跑步。

最近，Lieberman 的研究继续调查现代、后工业化生活方式与人类演化形成的体育活动习惯不协调所带来的后果——这是他在《运动》一书中探讨的一个想法。

《Discover》杂志采访了 Lieberman，探讨了行走和跑步如何塑造了人类身体，鞋子的利弊，以及演化如何教会我们如何在现代世界中保持健康和活力。

问：为什么从演化生物学的角度来看待行走和跑步？

很明显，使人类谱系与我们的猿类表亲走上不同道路的最初原因就是双足运动。我们有证据表明，大约在 700 万年前，当我们与黑猩猩谱系分化时，我们最早的祖先某种程度上就是双足行走的。如果你想理解人类的演化，双足行走是至关重要的。如果我们没有成为行走的，然后又成为奔跑的，我们就不会在这里，也不会是现在的样子。

问：我们的祖先是如何成为双足行走的？

我们与黑猩猩的最后一位共同祖先很可能非常像黑猩猩；它是一种指节行走者。指节行走的一个缺点是它是一种非常耗能的行走方式。如果你想要长臂并且能够爬树，但同时又能在地面上行走，那么它就非常适合。但如果你把一只黑猩猩放在跑步机上，并给它戴上氧气面罩——这是我的学生们做过的——你会发现，为了行走相同距离和相同单位质量，黑猩猩比人类消耗的能量要多一倍。

当我们与黑猩猩谱系分化时，那是在非洲的雨林逐渐消失，环境变得越来越开阔的时期。所以想象一下，700 万年前，有一小群像黑猩猩一样的我们的祖先，突然之间森林消失了。现在它们生活在林地环境中，每天必须比以前多走一倍的距离才能找到食物。如果你能通过站立起来节省能量，那么自然选择显然会青睐这种方式。如果你在行走中消耗的能量更少，你就能有更多的能量去生育后代。确切地知道最初的双足行走者是什么样的非常困难，但到 400 万年前，它们已经是相当不错的双足行走了。

问：它们是什么时候开始奔跑的？

大约在 200 万年前，冰河时代开始了。那时大片草原开始出现，我们赖以为生的食物却开始消失。但是还有另一种食物来源，那就是动物。我们的祖先没有任何像样的技术。他们只有棍棒和石头。所以我们认为他们狩猎和搜寻食物的方式就是通过奔跑。

但是，与大多数哺乳动物相比，我们用两条腿奔跑的速度并不快。我们不是变得非常快，而是擅长耐力。我们能够在炎热的中午长距离奔跑，追逐动物，直到它们精疲力尽。当然，今天你可以去超市买到包装好的肉，但在过去，奔跑至关重要。

问：我们怎么知道几百万年前的体育活动的情况？

我们有化石和其他证据。所以我们可以研究使我们擅长行走和奔跑的解剖结构，并进行分析。对于奔跑，我们有稳定头部的机制。我们的肩膀和臀部可以独立于腿和头部移动和旋转，这样我们可以正确地旋转身体。我们的脚上有像弹簧一样储存能量的足弓。我们腿上有长长的肌腱，比如跟腱，它们就像弹簧。我们有短小的脚趾，这在行走时无关紧要，但在奔跑时却非常重要。

我最喜欢的是臀大肌。与黑猩猩相比，人类臀大肌的上部显著增大，因为它在我们奔跑时稳定我们的上半身。它每走一步都会启动，防止上半身向前倾斜。我们可以在化石记录中看到臀部变大的时候。臀大肌上部的附着点会在骨盆上留下疤痕。

然后我们找出如何测试我们看到的差异的生物力学。例如，我们在人们的臀部贴上电极，观察臀大肌的功能。

我们还到实地去研究那些无法获得现代技术和机器的人们，看看他们如何使用自己的身体，以及我们如何利用这些来解释和分析演化记录——同时也看看当我们转向我们生活的现代世界，人们不再像以前那样行走时会发生什么。

问：研究实验室和实地中的活人如何帮助您了解人类祖先？

一种传统的研究方法是查看化石，并将其与不同的现存物种进行比较。如果它看起来像人类，那么它一定也像人类一样行为。如果它看起来像黑猩猩或大猩猩，那么它一定像黑猩猩或大猩猩一样行为。这是一种可以接受的科学研究方法，但我们今天做得更好。

例如，露西（Lucy），著名的南方古猿（南方古猿是一种现代人类的古猿祖先；露西的物种，阿法南方古猿，生活在约 300 万年前的非洲），脚趾相当长。黑猩猩的脚趾也很长。因此，有人推断，既然露西的脚趾长，黑猩猩的脚趾也长，而黑猩猩行走能力不强，所以露西可能也无法很好地行走。但这仅仅是推测。

所以（为了进行检验），我们进行了一项关于脚趾长度的研究。与研究生 Campbell Rolian 一起，我们建立了一个模型来计算当脚趾变长时，脚趾关节会产生多少力。因此，我们可以计算出露西在行走时会产生多少力。结果是，露西行走没问题，但在长距离奔跑时会遇到麻烦。

问：说到跑步，鞋子是什么时候出现的？

没有人确切知道鞋子是什么时候发明的。因为鞋子不会形成化石。它们不容易在考古记录中保存下来。我想大多数人类学家会猜测，大约在 4 万到 5 万年前，鞋子在某种程度上已经很普遍了，因为那是我们第一次看到缝纫的证据。

但并不是说，我们一夜之间就开始穿鞋了。我们开始在某些文化中，为了某些事情而更频繁地穿鞋。在古代奥运会上，没有人穿鞋参赛。这是闻所未闻的。人们会赤脚跑步。而且今天世界上仍然有数百万，甚至数十亿人仍然赤脚。我们不应该将西方欧洲-美国文化推广到世界其他地区。那样行不通。

问：广泛穿鞋是否改变了我们这个物种？

我不知道有任何证据表明鞋子引起了自然选择。因为毕竟，地球上仍然有很多人不穿鞋。而且他们过得很好。事实上，在很多方面，他们比我们其他人过得更好。

问：鞋子有什么利弊？

鞋子很舒适。它们可以保护你的脚免受寒冷和炎热的伤害，以及免受会刺穿你的东西的伤害。而且有时它们还可以减少你脚部肌肉需要付出的工作量。但它们也有代价。脚部布满了数量惊人的多样化感觉神经，它们向我们的大脑和中枢神经系统提供关于正在发生的事情的详细信息。当你穿鞋时，你会丢失很多这些信息。所以这是一个权衡。

几年前，我们在《自然》杂志上发表了一篇论文，表明老茧不会导致这种权衡。我们去（肯尼亚）研究了那些从不穿鞋、脚上有厚厚老茧的人——这是符合人类演化标准的情况。我们用特制的小传感器戳他们的脚，测量他们对不同频率和压力的敏感度。他们能感知到的信息与脚上老茧很薄的人一样好。

问：那么赤脚是不是更好？

我研究过成千上万赤脚人的脚。我可以告诉你，总的来说，它们比穿鞋的人的脚要好得多。我的意思是，有时它们有点脏，但它们不臭。脚气是一种现代问题。我认为在赤脚的世界里没有人会得脚气。

但更重要的是，赤脚的人的脚通常很健康，在力量方面。大约三分之一的美国人有扁平足。在我们研究的赤脚人群中，几乎没有人有扁平足。我们认为，要么是孩子们因为过早穿鞋而导致足弓未能正常发育，要么是成年人随着年龄增长、身体变大变重，足弓就塌陷了。

极简鞋可能有很多优点，我认为需要进一步探索。但我们倾向于过度简化这些问题。我不认为简单的处方总是有效。如果你是一个习惯了缓冲鞋支撑的西方人，突然过渡到极简鞋，你最好循序渐进，慢慢来，并学会如何正确跑步，否则你会伤到自己。我想说你应该根据你跑步的类型来选择鞋子。

问：您从生活在赤脚文化中的人们那里还学到了什么？

我们正在学到的一件事是，步行对健康有多么重要。步行是最基本的体育活动形式。我们对此研究得越多，就越认识到步行和其他形式的体育活动对于减缓衰老过程、保持健康有多么重要。

[在发达国家]我们能够突然停止体育活动，在人生的很大一部分时间里都是如此，为此我们付出了巨大的代价。在小规模社会中，人们成为祖父母后并不会停止体育活动。没有退休——退休是一个非常现代的概念。他们还在采集、狩猎和在田里劳作。这使他们在年老时仍然保持体育活动。反过来，这种体育活动帮助他们在衰老过程中保持健康。这是一个反馈机制。

体育活动对人类健康至关重要。无论是步行、跑步、跳跃、游泳，还是任何你喜欢的运动形式。重要的是我们保持运动，所以无论你是否穿鞋都不重要——只要动起来。