การเปลี่ยนแปลงทางโครงกระดูกของมนุษย์เนื่องจากการเดินด้วยสองเท้า

วิวัฒนาการของการเดินด้วยสองเท้า (bipedalism) ในมนุษย์เริ่มขึ้นเมื่อประมาณ 4 ล้านปีก่อน ซึ่งนำมาสู่การเปลี่ยนแปลงทางสัณฐานของโครงกระดูกมนุษย์ รวมทั้งโครงสร้างและขนาดของเท้า ขนาดและรูปร่างของสะโพก ความยาวของขา และรูปร่างและทิศทางของกระดูกสันหลัง มีทฤษฎีต่าง ๆ หลายอย่างเกี่ยวกับเหตุทางวิวัฒนาการต่าง ๆ ที่ทำให้เกิดความเปลี่ยนแปลงเหล่านี้

เท้ามนุษย์

เท้า

เท้ามนุษย์ได้วิวัฒนาการมาเป็นโครงสร้างที่รับน้ำหนักกายทั้งหมด แทนที่จะเป็นอวัยวะใช้ในการจับ เช่นที่มีในบรรพบุรุษมนุษย์ยุคต้น ๆ ดังนั้น มนุษย์จึงมีนิ้วเท้าที่เล็กกว่าบรรพบุรุษที่เดินด้วยสองเท้า รวมทั้งนิ้วหัวแม่เท้าที่งอจรดกับนิ้วอื่นไม่ได้ (non-opposable) และเปลี่ยนเป็นยืดไปทางเดียวกันกับนิ้วอื่น ๆ นอกจากนั้นแล้ว เท้ามนุษย์ยังมีส่วนโค้ง (arch) แทนที่จะเป็นเท้าเรียบแบน เมื่อลิงใหญ่ที่ไม่ใช่มนุษย์เดินด้วยสองเท้า จะมีการสื่อน้ำหนักจากส้นเท้าไปตามขอบนอกของเท้า ไปยังนิ้วเท้ากลาง ในขณะที่เท้ามนุษย์มีการสื่อน้ำหนักจากส้นเท้าไปตามขอบนอกของเท้า ผ่านอุ้งเท้า ไปยังนิ้วหัวแม่เท้า การสื่อน้ำหนักเช่นนี้มีผลเป็นการประหยัดพลังงานในระหว่างการเดิน

สะโพก

ความเปลี่ยนแปลงของสะโพกและกระดูกขา (จากซ้ายไปขวา) ที่มีสมมติฐานว่าจำเป็นในการจะพัฒนาจากสัตว์สี่เท้ามาเป็นสัตว์สองเท้า มุมที่กระดูกต้นขายึดกับกระดูกเชิงกรานมีผลให้เดินสองเท้าได้สะดวก จากซ้ายไปขวาเป็นโครงกระดูกของลิง บรรพบุรุษมนุษย์ และมนุษย์

ข้อต่อสะโพกของมนุษย์ปัจจุบันใหญ่กว่าในสปีชีส์บรรพบุรุษที่เดินด้วยสี่เท้า เพื่อที่จะรองรับอัตราส่วนน้ำหนักที่มากกว่า และตัวสะโพกเองก็สั้นกว่า กว้างกว่า ความเปลี่ยนแปลงทางรูปร่างเช่นนี้ทำให้กระดูกสันหลังใกล้เข้ามากับข้อต่อสะโพกยิ่งขึ้น กลายเป็นฐานที่มีเสถียรภาพเพื่อรองรับลำตัวเมื่อเดินตัวตรง นอกจากนั้นแล้ว เพราะการเดินด้วยสองเท้าทำให้จำเป็นที่จะต้องทรงตัวอยู่บนข้อต่อสะโพกซึ่งเป็นแบบเบ้า (ball and socket) ที่ค่อนข้างไม่มีเสถียรภาพ การมีกระดูกสันหลังใกล้กับข้อต่อทำให้สามารถใช้แรงกล้ามเนื้อน้อยลงในการทรงตัว การเปลี่ยนแปลงทางรูปร่างของสะโพกลดระดับองศาที่สามารถยืดขาออกไปได้ ซึ่งเป็นการปรับตัวที่ช่วยรักษาพลังงาน กระดูกปีกสะโพก (ilium) ก็สั้นลงและกว้างขึ้น และส่วนล้อมของกระดูกเชิงกรานก็เปลี่ยนไปหันเข้าข้าง ๆ ทั้งสองเป็นการเปลี่ยนแปลงที่เพิ่มบริเวณสำหรับยึดของกล้ามเนื้อสะโพก ซึ่งช่วยดำรงเสถียรภาพของลำตัวเมื่อยืนบนขาเดียว

เข่า

การจำลองรอบการเดินของมนุษย์โดยคอมพิวเตอร์ ให้สังเกตว่า ศีรษะและศูนย์กลางมวลของร่างดำรงอยู่ในระดับเดียวกันตลอดรอบ แต่สะโพกเคลื่อนไปในเส้นโค้งรูปไซน์

ข้อต่อหัวเข่ามนุษย์ก็ใหญ่ขึ้นโดยมีเหตุผลเดียวกันกับสะโพก ซึ่งก็คือเพื่อช่วยรับน้ำหนักในอัตราส่วนที่สูงขึ้น ระดับการยืดแข้ง (knee extension) คือองศาระหว่างต้นขากับหน้าแข้งในระหว่างการเดิน ก็ลดลง รูปแบบการยืดแข้งในการเดินของมนุษย์มีช่วงยืดแข้งท้ายสุด ที่ต้องอาศัยการทำงานของเข่าทั้งสองข้างที่เรียกว่า "double knee action" หรือว่า "obligatory terminal rotation" การทำงานเยี่ยงนี้ลดการสูญเสียพลังงานเนื่องจากการเคลื่อนขึ้นลงของศูนย์กลางมวล มนุษย์เดินโดยมีเข่าตรงและมีต้นขาที่โค้งเข้าไปจนกระทั่งเข่าเกือบจะอยู่ใต้ร่างกายตรง ๆ แทนที่จะออกไปอยู่ข้าง ๆ ดังที่พบในสัตว์บรรพบุรุษ ท่าทางการเดินเช่นนี้ช่วยในการทรงตัว

รยางค์ล่างและบน

การมีขายาวขึ้นเริ่มต้นตั้งแต่วิวัฒนาการมาเดินด้วยสองเท้า ได้เปลี่ยนการทำงานของกล้ามเนื้อขาในการยืน ในมนุษย์ แรงยันไปข้างหน้ามาจากกล้ามเนื้อขาโดยดันที่ข้อเท้า ขาที่ยาวกว่าทำให้สามารถเหวี่ยงขาไปได้อย่างธรรมชาติ ดังนั้น เมื่อกำลังเดิน เราจะไม่ต้องใช้กล้ามเนื้อในการเหวี่ยงเท้าไปข้างหน้าสำหรับก้าวต่อไป และเพราะไม่ต้องใช้รยางค์บนในการเดิน จึงสามารถใช้มือแขนในการหิ้ว ถือ และจับการควบคุมวัตถุในมือได้อย่างคล่องแคล่วแม่นยำ แล้วจึงมีผลทำให้แขนสั้นลงเทียบกับตัวโดยเปรียบเทียบกับเอป การมีขายาวและแขนสั้นช่วยให้สามารถเดินตัวตรงได้ เทียบกับลิงอุรังอุตังและชะนีซึ่งมีการปรับตัวให้มีแขนยาว เพื่อที่จะใช้โหนและเหวี่ยงตัวบนต้นไม้ได้ แม้ว่าเอปจะสามารถยืนด้วยสองเท้า แต่ก็ไม่สามารถยืนได้นาน ๆ เพราะว่า กระดูกต้นขาของเอปไม่ได้มีการปรับตัวเพื่อที่จะเดินด้วยสองเท้า คือเอปมีกระดูกต้นขาที่ตั้งตรง ในขณะที่มนุษย์มีกระดูกต้นขาที่โค้งเข้าไปด้านในจากสะโพกจนถึงเข่า ซึ่งเป็นการปรับตัวที่ทำให้เข่ามนุษย์ชิดกันมากขึ้น และอยู่ใต้ศูนย์กลางมวลของร่างกาย และช่วยให้มนุษย์สามารถล็อกหัวเข่าและยืนตรง ๆ ได้เป็นเวลานานโดยไม่ต้องใช้แรงจากกล้ามเนื้อมาก

กะโหลกศีรษะ

ภาพลายศิลป์ของกะโหลกศีรษะมนุษย์เทียบกับลิงชิมแปนซี ให้สังเกตว่าช่องทางออกของไขสันหลังเยื้องไปด้านหน้าในมนุษย์มากกว่าในลิง

กะโหลกศีรษะของมนุษย์ตั้งอย่างสมดุลอยู่บนกระดูกสันหลัง ช่องที่ไขสันหลังออกจากกะโหลก (foramen magnum) อยู่ข้างใต้กะโหลก ซึ่งทำให้น้ำหนักของศีรษะเยื้องไปทางด้านหลังของกระดูกสันหลัง นอกจากนั้นแล้ว ใบหน้าที่แบนช่วยทำให้เกิดความสมดุลที่ปุ่มกระดูกท้ายทอย ดังนั้น หัวจึงตั้งตรงได้โดยไม่ต้องมีสันเหนือเบ้าตา (supraorbital ridge) ที่ใหญ่และมีกล้ามเนื้อยึดที่แข็งแรง ดังที่พบในเอป ผลที่เกิดก็คือ กล้ามเนื้อหน้าผากของมนุษย์ใช้เพียงเพื่อการแสดงออกของสีหน้าเท่านั้น (ไม่เหมือนกับเอปหรือบรรพบุรุษมนุษย์ที่ต้องใช้กล้ามเนื้อเดียวกันในการตั้งศีรษะให้ตรง)

กระดูกไขสันหลัง

กระดูกสันหลังมองจากด้านข้าง

กระดูกสันหลังของมนุษย์งอไปด้านหน้าข้างบน (lumbar region) และงอไปทางด้านหลังข้างล่าง (thoracic region) ถ้าไม่มีส่วนโค้งด้านบน กระดูกสันหลังก็จะต้องเอนไปข้างหน้าตลอดเวลา (เมื่อตัวตรง) ซึ่งต้องใช้แรงกล้ามเนื้อมากกว่าสำหรับสัตว์ที่เดินสองเท้า แต่เพราะว่ามีส่วนโค้งด้านบน มนุษย์ใช้แรงกล้ามเนื้อน้อยกว่าในการยืนและการเดินตัวตรง ทั้งส่วนโค้งด้านบนและส่วนโค้งด้านล่างช่วยทำให้ศูนย์กลางมวลของมนุษย์ตั้งอยู่เหนือเท้าโดยตรง นอกจากนั้นแล้ว การปรับร่างกายให้ตรงในช่วงการเดินจะมีน้อยกว่าซึ่งช่วยในการรักษาพลังงาน

ปัญหา

แม้ว่าจะมีการเปลี่ยนแปลงมากมายเช่นนี้ ก็ยังมีลักษณะโครงกระดูกมนุษย์ที่ปรับตัวได้ไม่ดีเพื่อการเดินด้วยสองเท้า ทำให้เกิดผลลบที่พบทั่วไปในมนุษย์ปัจจุบัน หลังส่วนล่างและข้อเข่ามีปัญหามากมายเกี่ยวกับกระดูก โดยที่ความปวดหลังส่วนล่างเป็นเหตุสำคัญของการทำงานไม่ได้ ซึ่งเป็นเพราะว่าข้อกระดูกต้องรองรับน้ำหนักมากกว่า มีหลักฐานว่าข้ออักเสบเป็นปัญหาที่เริ่มต้นตั้งแต่บรรพบุรุษมนุษย์เริ่มเดินด้วยสองเท้า คือ นักวิทยาศาสตร์ได้พบร่องรอยของโรคในข้อกระดูกสันหลังของกลุ่มมนุษย์ก่อนประวัติศาสตร์ นักวิชาการเชื่อว่า มีจุดจำกัดทางกายภาพที่ทำให้ไม่สามารถมีวิวัฒนาการเพิ่มขึ้นของข้อต่อเพื่อเพิ่มเสถียรภาพของอิริยาบถ และในขณะเดียวกันยังสามารถรักษาประสิทธิภาพของการเดินไว้ได้ด้วย

อ้างอิง

1. Kondō, Shirō (1985). Primate morphophysiology, locomotor analyses, and human bipedalism. Tokyo: University of Tokyo Press. ISBN .^[]
2. Aiello, Leslie; Dean, Christopher (1990). An Introduction to Human Evolutionary Anatomy. Oxford: Elsevier Academic Press. ISBN .{{}}: CS1 maint: multiple names: authors list ()^[]
3. Latimer B, Lovejoy CO (March 1989). "The calcaneus of Australopithecus afarensis and its implications for the evolution of bipedality". American Journal of Physical Anthropology. 78 (3): 369–386. doi:10.1002/ajpa.1330780306. PMID 2929741.
4. Potts, Richard B. (2006), "Human Evolution", Microsoft Encarta 2006
5. Wang W, Crompton RH, Carey TS, Günther MM, Li Y, Savage R, Sellers WI (December 2004). "Comparison of inverse-dynamics musculo-skeletal models of AL 288-1 Australopithecus afarensis and KNM-WT 15000 Homo ergaster to modern humans, with implications for the evolution of bipedalism". Journal of Human Evolution. 47 (6): 453–478. doi:10.1016/j.jhevol.2004.08.007. PMID 15566947.
6. Lovejoy CO (November 1988). "Evolution of human walking". Scientific American. 259 (5): 118–125. Bibcode:1988SciAm.259e.118L. doi:10.1038/scientificamerican1188-118. PMID 3212438.
7. Wittman AB, Wall LL (November 2007). "The evolutionary origins of obstructed labor: bipedalism, encephalization, and the human obstetric dilemma". Obstetrical & Gynecological Survey. 62 (11): 739–748. doi:10.1097/01.ogx.0000286584.04310.5c. PMID 17925047.
8. Saladin, Kenneth S. (2003). 3rd (บ.ก.). Anatomy & Physiology: The Unity of Form and Function. McGraw-Hill. pp. 286–287. ISBN .^[]
9. Ruff C (October 2003). "Ontogenetic adaptation to bipedalism: age changes in femoral to humeral length and strength proportions in humans, with a comparison to baboons". Journal of Human Evolution. 45 (4): 317–349. doi:10.1016/j.jhevol.2003.08.006. PMID 14585245.
10. Thorpe SK, Holder RL, Crompton RH (June 2007). "Origin of human bipedalism as an adaptation for locomotion on flexible branches". Science. 316 (5829): 1328–1331. Bibcode:2007Sci...316.1328T. doi:10.1126/science.1140799. PMID 17540902.
11. Saladin, Kenneth S (2010). "8". Anatomy & Physiology: the Unity of Form and Function (5 ed.). Dubuque: McGraw-Hill. pp. 281.
12. Koella, Jacob C; Stearns, Stephen K. (2008). Evolution in Health and Disease. Oxford University Press, USA. ISBN .{{}}: CS1 maint: multiple names: authors list ()^[]

อ่านเพิ่ม

• Grabowski MW, Polk JD, Roseman CC (May 2011). "Divergent patterns of integration and reduced constraint in the human hip and the origins of bipedalism". Evolution; International Journal of Organic Evolution. 65 (5): 1336–1356. doi:10.1111/j.1558-5646.2011.01226.x. PMID 21521191.
• Crompton RH, Sellers WI, Thorpe SK (October 2010). "Arboreality, terrestriality and bipedalism". Philosophical Transactions of the Royal Society of London. Series B, Biological Sciences. 365 (1556): 3301–3314. doi:10.1098/rstb.2010.0035. PMC 2981953. PMID 20855304.