進(jìn)化·直立行走的獲益與代價(jià)

蔡如鵬

直立行走讓我們節(jié)省了更多的能量，但也給我們帶來了背痛、膝關(guān)節(jié)痛和分娩痛苦等等麻煩

人類的祖先為什么放棄四肢著地，而選擇直立行走?研究人員最新給出的答案是節(jié)省能量。這樣的解釋似乎過于簡(jiǎn)單，不過你可不要小看省下來的那點(diǎn)力氣，科學(xué)家們說，在當(dāng)時(shí)的自然環(huán)境下，那很可能就意味著誰能夠生存，誰將被淘汰。

不僅如此，為了“站起來”，我們的祖先可以說是“不惜代價(jià)”，以至今天我們還不得不為此埋單——飽嘗足痛膝傷之苦，忍受背痛的折磨，還要應(yīng)付孕婦分娩時(shí)的險(xiǎn)象還生。

雙腿行走更省力

有關(guān)人類為何直立的理論可謂是五花八門，至今仍無定論。有人說是我們的祖先為了騰出手來抱孩子、拿吃的，有人說是為了去摘以前夠不著的果子，甚至還有人說這只是為了可以更好地在微風(fēng)中散熱。

現(xiàn)在，幾位美國科學(xué)家又給出了一種新的解釋。他們?cè)诔霭娴拿绹秶铱茖W(xué)院學(xué)報(bào)》上撰文說，人類之所以最終進(jìn)化成為兩條腿走路的動(dòng)物，主要是因?yàn)檫@種行走方式最為節(jié)省能量。

這三位美國科學(xué)家分別是加州大學(xué)戴維斯分校的邁克爾·索科爾、亞利桑那大學(xué)的戴維·賴希倫和華盛頓大學(xué)的赫爾曼龐澤爾。他們通過比較黑猩猩與人類行走時(shí)所消耗的能量得出了上述結(jié)論。

在現(xiàn)有的物種中，從進(jìn)化關(guān)系看，黑猩猩是與人類最近的親戚。同時(shí)，在身體大小、骨骼特征方面都與人類最為相仿。因此，在對(duì)比直立行走與四肢行走的能量消耗實(shí)驗(yàn)中，索科爾說，黑猩猩是絕佳的實(shí)驗(yàn)樣本。更重要的是，經(jīng)過訓(xùn)練，黑猩猩也能短暫地像人類那樣直立行走。

實(shí)驗(yàn)中，訓(xùn)練師在黑猩猩的關(guān)節(jié)上涂抹上白色的小斑點(diǎn)，給它們頭戴小面罩，再讓它們?cè)谂懿綑C(jī)上時(shí)而兩腿著地緩步慢行、時(shí)而四肢著地指關(guān)節(jié)拄地行走。面罩連接著收集氧氣量的儀器，科學(xué)家們藉此可以了解黑猩猩在運(yùn)動(dòng)過程中的能量消耗。攝像機(jī)則記錄下了它們肢體(即白色斑點(diǎn)所示處)運(yùn)動(dòng)的詳細(xì)情況，這些數(shù)據(jù)可以幫助科學(xué)家們進(jìn)一步了解能量是怎么被用掉的。

通過對(duì)5只黑猩猩和4個(gè)成年人在跑步機(jī)上運(yùn)動(dòng)時(shí)耗氧量的比較，研究人員發(fā)現(xiàn)，人類直立行走所需的能量只是黑猩猩四肢行走耗能的四分之一，節(jié)省了差不多75％的能量?？茖W(xué)家們說，這些定量的數(shù)據(jù)說明直立行走比四肢行走更節(jié)省能量。

有趣的是，科學(xué)家們不但發(fā)現(xiàn)直立行走比四肢指關(guān)節(jié)拄地行走更有優(yōu)勢(shì)，還發(fā)現(xiàn)同一群體不同個(gè)體之間也存在著很大的差異。在這次實(shí)驗(yàn)中，總體而言，黑猩猩兩腿直立行走和四肢著地行走時(shí)所耗費(fèi)的能量幾乎沒有差別，但是，長期進(jìn)行直立行走訓(xùn)練的黑猩猩，會(huì)比短期訓(xùn)練的黑猩猩更節(jié)省能量。

賴希倫說，一只黑猩猩用兩腿行走時(shí)消耗較少的能量，另一只消耗與四肢行走時(shí)相同的能量，其他三只黑猩猩兩腿行走要消耗更多的能量。對(duì)于那只兩腿行走更省力的黑猩猩，它的步幅比較大，賴希倫解釋說：“(它)行走時(shí)，膝蓋和臀部看上去似乎更加舒展。”

帶來骨骼巨變

事實(shí)上，數(shù)十年來，有不少科學(xué)家一直在推測(cè)，人類祖先開始直立行走是因?yàn)閮蓷l腿比四肢著地更省力，在采摘果實(shí)等方面有更大優(yōu)勢(shì)。但是這一理論的支撐數(shù)據(jù)一直不足。

“幾十年來，研究人員一直就能量學(xué)在人類進(jìn)化為兩足動(dòng)物的問題上爭(zhēng)論不休，因?yàn)槟菚r(shí)幾乎沒有具有說服力的研究數(shù)據(jù)?！辟囅愓f，“這篇論文給節(jié)省能量在兩腿直立行走的進(jìn)化中起了重要作用的理論提供了強(qiáng)有力的支持?！?/p>

此前，科學(xué)家們一般認(rèn)為，人類的祖先大約是600萬至800萬年前，在非洲開始嘗試采取直立姿勢(shì)行走的(編者注：現(xiàn)在這一理論正受到挑戰(zhàn)，但與本文主題并不矛盾)。索科爾說，那時(shí)，東非地區(qū)的降水越來越少，原本茂盛得密不透風(fēng)的森林變得越來越稀疏空曠，食物來源也變得越來越分散。我們的祖先不得不走更遠(yuǎn)的路來獲取足夠的食物?！凹偃缬脙蓷l腿走遠(yuǎn)路能省點(diǎn)力氣，那么，誰長途跋涉更不費(fèi)勁，誰就占便宜?！?/p>

“如果四處采集食物時(shí)能節(jié)省些能量，那份能量就可以用來發(fā)育和繁殖?！辟囅愓f：“人類的祖先一旦發(fā)現(xiàn)了直立行走的好處，他們便會(huì)慢慢適應(yīng)這種新的行走方式，這就是自然選擇的作用?！?/p>

“從能量的角度解釋直立行走的出現(xiàn)，是一個(gè)新的視角。”中國科學(xué)院古脊椎動(dòng)物與古人類研究所古人類研究室主任劉武研究員告訴本刊記者，“從已發(fā)表的論文看，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)新穎，結(jié)論可信?！?/p>

盡管這項(xiàng)研究找到了直立行走的優(yōu)勢(shì)，但在解釋為什么是我們的祖先首先由四肢著地行走進(jìn)化到雙足直立行走的問題上還不夠有說服力?！霸诂F(xiàn)有250多個(gè)靈長類物種中，只有一個(gè)物種是用兩條腿走來走去的一那就是我們?nèi)祟??！泵绹霞又荽髮W(xué)的人類學(xué)家克雷格·斯坦福說。

科學(xué)家們承認(rèn)，要充分了解直立行走的來由，我們還差得很遠(yuǎn)。但對(duì)于“這種獨(dú)特而奇異的移動(dòng)方式”對(duì)人類的改變，都認(rèn)同這是個(gè)巨變。劉武說，與制造工具相比，直立行走更應(yīng)該看作區(qū)分人猿的標(biāo)志，因?yàn)樗粌H解放了雙手、開闊了視野，而且為其他方面的演化奠定了基礎(chǔ)，比如人類腦量的膨脹。

直立行走和四肢移動(dòng)在生物力學(xué)上有著天壤之別。這讓我們的祖先從頸部向下直到腳上的骨骼不得不為之一變。顱骨和脊椎重新排列，使頭部和軀干保持在一條垂直線上；為了支撐身體的重量并緩沖直立行走時(shí)的沖擊，四肢的關(guān)節(jié)和脊椎開始變大；骨盆也從又長又細(xì)的漿狀變成又寬又細(xì)的鞍形，將軀干的重量自上而下推給雙腿。

我們的祖先經(jīng)過許多世代更迭、漫長歲月洗禮而形成的這些改變，看來的確沒有白費(fèi)功夫，事實(shí)證明相當(dāng)實(shí)用。哈佛大學(xué)人類學(xué)系的丹·利伯曼通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，直立行走可以說是有關(guān)平衡、協(xié)調(diào)、效率的壯舉。

他發(fā)現(xiàn)，在行走過程中，雙腿的作用就像顛倒的擺鐘——以一條支撐腿為支點(diǎn)，身體在其上做弧線擺動(dòng)。這使得身體每邁出一步所消耗的大部分能量得以儲(chǔ)存，減少了一半以上的能量消耗。

“跟黑猩猩比較一下就知道了，”利伯曼說，“它們直立行走，可要費(fèi)九牛二虎之力。因?yàn)楹谛尚蓻]法像人類那樣兩腿繃得筆直，得動(dòng)用肌肉的力量來支撐體重，晃來晃去地浪費(fèi)了不少能量。”

但直立行走造成的骨骼變化，并不都是有利的?！把莼@然不是個(gè)工程師，而更像個(gè)補(bǔ)鍋匠，它只能在原有的基礎(chǔ)上修修補(bǔ)補(bǔ)。”美國特拉華大學(xué)的人類學(xué)主任卡倫·羅森堡說，直立行走雖然解放了雙手，但為此達(dá)成的演化妥協(xié)，也帶來了一大堆人類特有的煩惱。

進(jìn)化妥協(xié)的代價(jià)

背痛是人類最常見的身體不適之一，大多數(shù)人一生中總要忍受讓人渾身乏力的背痛。美國洛杉磯市的阿倫．菲勒博士一直在設(shè)法弄清楚人們?yōu)槭裁磿?huì)經(jīng)常背痛。這位脊柱專家最近確信，這與人類的直立行走有關(guān)。

菲勒在《神經(jīng)外科學(xué)焦點(diǎn)》雜志上撰文說，椎骨中出現(xiàn)的一些重大變化使人類祖先得以直立并攜帶物體，但同時(shí)也使它容易擠壓損傷椎間盤。他發(fā)現(xiàn)，一種被稱為橫突的骨骼特征提供了重要線索。在大多數(shù)動(dòng)物中，橫突位于椎骨的前側(cè)，朝向動(dòng)物的腹部，而在人類和早期人類祖先的化石身上，橫突發(fā)生后移。

人類的脊柱呈S形，腰部向前彎，形成脊柱前凸，背部向后彎，形成脊柱后凸，與其他動(dòng)物的脊柱有很大的差異。美國密蘇里大學(xué)哥倫比亞分校的人類學(xué)家卡羅爾‘沃德說：“脊柱原來是起拱頂作用的，一旦直立起來，它就不得不充當(dāng)承重的立柱了?！?/p>

沃德說，這種S形的脊柱從耗能的角度看，既經(jīng)濟(jì)又有效，維系著人體平衡和雙足移動(dòng)。但卻承受了過度的壓迫，“讓它吃了不少苦”。椎骨在受到長期擠壓時(shí)，椎間盤就可能會(huì)突出，壓迫脊椎神經(jīng)，引起疼痛。科學(xué)家們說，除了人類及其祖先外，沒有一種靈長類動(dòng)物領(lǐng)教過這種背部不適。

分娩對(duì)所有的婦女來說，都是一場(chǎng)嚴(yán)酷的考驗(yàn)，因?yàn)樗馕吨鴦⊥春惋L(fēng)險(xiǎn)。但，與人類相比，大部分靈長類動(dòng)物對(duì)此卻并不發(fā)愁——它們的胎兒在穿越產(chǎn)道時(shí)，可以說是暢通無阻。那么，人類的產(chǎn)道為什么會(huì)曲折難行呢?

科學(xué)家們的解釋是，這都是因?yàn)橐疹欀绷⑿凶叩男枰?。羅森堡說，婦女骨盆的結(jié)構(gòu)既要使直立行走成為可能，又得讓寶寶通過，它必須在兩種需求之間取合平衡。結(jié)果是，產(chǎn)道嚴(yán)重變窄，雖然還算管用，但只是勉強(qiáng)將就，對(duì)寶寶和媽媽來說都是一道“鬼門關(guān)”。在100多年前，分娩是育齡婦女的首要死因。

直立行走帶來的煩惱還不止這些。在奔跑或快步走時(shí)，我們的下肢承擔(dān)的壓力可能接近體重的好幾倍，膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)、足部也承受了更多的壓力，這也正是人類飽嘗足痛膝傷之苦的原因所在。