Cambiamenti scheletrici umani dovuti al bipedismo

L'evoluzione del bipedalismo umano, iniziata nei primati circa quattro milioni di anni fa, o già sette milioni di anni fa con il Sahelanthropus , ha portato ad alterazioni morfologiche dello scheletro umano, inclusi cambiamenti nella disposizione e nelle dimensioni delle ossa del piede, dimensione e forma dell'anca, dimensione del ginocchio, lunghezza della gamba e forma e orientamento della colonna vertebrale. I fattori evolutivi che hanno prodotto questi cambiamenti sono stati oggetto di diverse teorie.

Efficienza energetica

La camminata umana è circa il 75% meno costosa rispetto alla camminata quadrupede e bipede negli scimpanzé. Alcune ipotesi hanno sostenuto che il bipedismo aumentava l'efficienza energetica del viaggio e che questo era un fattore importante nell'origine della locomozione bipede. Gli umani risparmiano più energia dei quadrupedi quando camminano ma non quando corrono. La corsa umana è meno efficiente del 75% rispetto alla camminata. Uno studio ha contribuito a dimostrare che il camminare sui bipedi di ominidi viventi è notevolmente più efficiente del camminare sui quadrupedi di ominidi viventi, ma i costi dei viaggi quadrupedi e bipedi sono gli stessi.

Piede

I piedi umani hanno evoluto i talloni allargati per sostenere il peso che anche l'evoluzione ha aumentato. Il piede umano si è evoluto come una piattaforma per sostenere l'intero peso del corpo, anziché agire come una struttura di presa, come nei primi ominidi. Gli umani quindi hanno le dita dei piedi più piccole dei loro antenati bipedi. Ciò include un alluce non opponibile, che viene trasferito in linea con le altre dita. Inoltre, gli esseri umani hanno un arco del piede piuttosto che i piedi piatti. Quando gli ominidi non umani camminano in posizione verticale, il peso viene trasmesso dal tallone, lungo l'esterno del piede, e poi attraverso le dita dei piedi centrali mentre un piede umano trasmette peso dal tallone, lungo l'esterno del piede, attraverso la sfera del piede e infine attraverso l'alluce. Questo transfert di peso contribuisce al risparmio energetico durante la locomozione.

Ginocchio

Le articolazioni del ginocchio umano vengono ingrandite per lo stesso motivo dell'anca, per supportare meglio una maggiore quantità di peso corporeo. Il grado di estensione del ginocchio (l'angolo tra la coscia e il gambo in un ciclo di camminata) è diminuito. L'andamento mutevole dell'angolo dell'articolazione del ginocchio nell'uomo mostra un picco di piccola estensione, chiamato "doppia azione del ginocchio", nella fase intermedia. L'azione del doppio ginocchio riduce l'energia persa a causa del movimento verticale del baricentro. Gli esseri umani camminano con le ginocchia dritte e le cosce piegate verso l'interno in modo che le ginocchia siano quasi direttamente sotto il corpo, piuttosto che lateralmente, come nel caso degli ominidi ancestrali. Questo tipo di andatura aiuta anche l'equilibrio.

Limbs

Un aumento della lunghezza delle gambe dall'evoluzione del bipedismo ha cambiato il modo in cui i muscoli delle gambe funzionavano in andatura eretta. Nell'uomo la "spinta" per camminare proviene dai muscoli delle gambe che agiscono alla caviglia. Una gamba più lunga consente l'uso dell'oscillazione naturale dell'arto in modo tale che, quando si cammina, gli esseri umani non devono usare i muscoli per spostare l'altra gamba in avanti per il passo successivo. Di conseguenza, poiché gli arti anteriori umani non sono necessari per la locomozione, sono invece ottimizzati per trasportare, tenere e manipolare oggetti con grande precisione. Ciò si traduce in una riduzione della forza degli arti anteriori rispetto alle dimensioni del corpo umano rispetto alle scimmie. Avere lunghi arti posteriori e arti anteriori corti consente agli umani di camminare in posizione eretta, mentre gli oranghi e i gibboni hanno adattato le braccia più lunghe per dondolare sui rami. Le scimmie possono sopportare gli arti posteriori, ma non possono farlo per lunghi periodi di tempo senza stancarsi. Questo perché i loro femori non sono adatti al bipedalismo. Le scimmie hanno femori verticali, mentre gli umani hanno femori leggermente inclinati medialmente dall'anca al ginocchio, rendendo così le ginocchia umane più vicine tra loro e sotto il baricentro del corpo. Questo adattamento consente agli umani di bloccare le ginocchia e di alzarsi in piedi per lunghi periodi di tempo senza molto sforzo da parte dei muscoli. Il massimo del gluteo è diventato un ruolo importante nel camminare ed è uno dei muscoli più grandi nell'uomo. Questo muscolo è molto più piccolo negli scimpanzé, il che dimostra che ha un ruolo importante nel bipedismo. Quando gli umani corrono, la nostra postura eretta tende a flettersi in avanti mentre ogni piede colpisce il terreno creando slancio in avanti. Il muscolo gluteo aiuta a prevenire che il tronco superiore del corpo si "inclini in avanti" o cada.

Anca e bacino

Le moderne articolazioni dell'anca umana sono più grandi rispetto alle specie ancestrali quadrupede per supportare meglio la maggiore quantità di peso corporeo che le attraversa, oltre ad avere una forma più corta e più ampia. Questa alterazione della forma ha avvicinato la colonna vertebrale all'articolazione dell'anca, fornendo una base stabile per il supporto del tronco mentre si cammina in posizione verticale. Inoltre, poiché la deambulazione bipede richiede all'uomo di bilanciarsi su una sfera e un'articolazione relativamente instabili, il posizionamento della colonna vertebrale più vicino all'articolazione dell'anca consente agli umani di investire meno sforzo muscolare nell'equilibrio. Il cambiamento nella forma dell'anca può aver portato alla diminuzione del grado di estensione dell'anca, un adattamento ad alta efficienza energetica. L'ileo passò da una forma lunga e stretta a una corta e larga e le pareti del bacino si modernizzarono per affrontare lateralmente. Questi cambiamenti combinati forniscono una maggiore area per i muscoli glutei da attaccare; questo aiuta a stabilizzare il busto stando su una gamba sola. Anche l'osso sacro è diventato più ampio, aumentando il diametro del canale del parto e facilitando il parto. Per aumentare la superficie per l'attaccamento del legamento per aiutare a sostenere i visceri addominali durante la postura eretta, le spine d 'Ischia sono diventate più prominenti e si sono spostate verso il centro del corpo.

Colonna vertebrale

La colonna vertebrale umana prende una piega in avanti nella regione lombare (inferiore) e una curva all'indietro nella regione toracica (superiore). Senza la curva lombare, la colonna vertebrale si piegherebbe sempre in avanti, una posizione che richiede uno sforzo muscolare molto maggiore per gli animali bipedi. Con una curva in avanti, gli umani fanno meno sforzo muscolare per alzarsi e camminare in posizione eretta. Insieme, le curve lombare e toracica portano il baricentro del corpo direttamente sopra i piedi. Inoltre, il grado di erezione del corpo (l'angolo di inclinazione del corpo rispetto a una linea verticale in un ciclo a piedi) è significativamente più piccolo per risparmiare energia.

Cranio

Il cranio umano è in equilibrio sulla colonna vertebrale: il forame magnum si trova inferiormente sotto il cranio, il che mette gran parte del peso della testa dietro la colonna vertebrale. Inoltre, il volto umano piatto aiuta a mantenere l'equilibrio sui condili occipitali. Per questo motivo, la posizione eretta della testa è possibile senza le prominenti creste sopraorbitali e i forti attaccamenti muscolari trovati, ad esempio, nelle scimmie. Di conseguenza, nell'uomo i muscoli della fronte (occipitofrontale) sono usati solo per le espressioni facciali. L'aumento delle dimensioni del cervello è stato anche significativo nell'evoluzione umana. Ha iniziato ad aumentare di circa 2,4 milioni di anni fa, ma i livelli moderni delle dimensioni del cervello non sono stati raggiunti fino a dopo 500.000 anni fa. Le analisi zoologiche hanno dimostrato che le dimensioni del cervello umano sono significativamente più grandi di quanto ci si aspetterebbe per le nostre dimensioni. Il cervello umano è in realtà tre o quattro volte più grande del suo parente più vicino - lo scimpanzé.

Significato

Anche con molte modifiche, alcune caratteristiche dello scheletro umano rimangono scarsamente adattate al bipedalismo, portando a implicazioni negative prevalenti nell'uomo oggi. Le articolazioni della parte bassa della schiena e del ginocchio sono afflitte da disfunzioni osteologiche, la lombalgia è una delle principali cause di perdita di giorni lavorativi, perché le articolazioni supportano più peso. L'artrite è stata un problema da quando gli ominidi sono diventati bipedi: gli scienziati hanno scoperto le sue tracce nelle vertebre dei cacciatori-raccoglitori preistorici. I vincoli fisici hanno reso difficile la modifica delle articolazioni per un'ulteriore stabilità mantenendo l'efficienza della locomozione.