Hvordan evolutionen overskred den optimale knoglestruktur hos hoppende gnavere

Fodknogler, der er adskilte i små hoppende gnavere, er smeltet sammen i deres større fætre, og et team af forskere ved University of Michigan og University of California, San Diego ville vide hvorfor.

Det ser ud til, at når først evolutionen satte jerboa-knogler på vejen mod at smelte sammen, overskred de den optimale mængde fusion – den struktur, der bedst fjerner spændinger fra hop og landing – for at blive fuldt bundet.

Denne opdagelse kunne informere om designet af fremtidige robotben, der er i stand til at modstå de højere kræfter, der er forbundet med hurtige udbrud af smidig bevægelse.

Jerboaer er ørkengnavere, der hopper uregelmæssigt på to ben for at undgå rovdyr. På tværs af jerboa-slægtstræet kan disse to ben se meget forskellige ud:Der er arter, der kun vejer tre gram og dem, der vejer 400 gram, med tungere arter med vidt forskellige fodknogler eller mellemfodsknogler. Lettere jerboaer er ligesom de fleste andre pattedyr, inklusive mennesker:deres mellemfodsknogler er adskilt fra hinanden.

"Vi ønskede at undersøge, hvorfor vi kun ser disse sammensmeltede knogler i større jerboaer," sagde Carla Nathaly Villacís Núñez, U-M doktorgradskandidat i maskinteknik og førsteforfatter af undersøgelsen i Proceedings of the Royal Society B .

"Vi fandt ud af, at de sammensmeltede knogler viste lavere belastninger end ikke-sammensmeltede knogler og derved forstærkede mod højere belastninger," sagde hun. "Men vi opdagede også, at de delvist sammensmeltede knogler havde endnu lavere belastninger end de fuldt sammensmeltede knogler. En hypotese er, at fuldt sammensmeltede jerboaer har evolutionært overskud."

For at studere knogleydelsen på tværs af arter udførte forskerne mikro-CT-scanninger af museumsprøver og byggede 3D-modeller af jerboa-metatarsalerne i software, skalerede dem derefter til samme størrelse og stresstestede dem, mens de ramte, bøjede og hoppede af en overflade. .

De mindre jerboaer har tre separate metatarsale knogler, som er i stand til at understøtte gnaverens lille statur, selvom de bruges til kraftige spring. De nyere, større jerboa-arter har fuldstændig smeltet disse tre knogler sammen til én. De mellemvægtige arter har noget midt imellem:en mellemfod med indre knoglerester, hvor den delvist er smeltet sammen, som et bundt pinde.

"Vores tværfaglige team anvendte state-of-the-art ingeniørteknikker til at optrevle et evolutionært puslespil," sagde Talia Moore, UM-assistentprofessor i robotteknologi og seniorforfatter af undersøgelsen.

"Evolution ramte et fordelagtigt punkt med delvist sammensmeltet geometri, men så kan det evolutionære momentum være fortsat med at fusionere mellemfodsfoden fuldstændigt. Fordi de fuldt sammensmeltede knogler stadig er tilstrækkelige til at undgå at bryde, var der sandsynligvis ikke noget evolutionært pres for at stoppe sammensmeltningen."

Forskerholdet bemærker, at lignende analyser kunne hjælpe med at afdække andre måder, hvorpå skelettet ændrede form for at kompensere, da arter udviklede sig fra firbenet, eller gå på fire fod, til tobenet bevægelse.

"Mens kænguruer, primater og andre gnavere konvergerede på bipedalisme, er dynamikken i deres bevægelse og de anatomiske ændringer forbundet med det skift ganske forskellige i hvert enkelt tilfælde," sagde Andrew Ray, en bachelorstuderende, der studerer materialevidenskab og ingeniørvidenskab i Moores laboratorium.

"Gennem lignende analyse kunne vi simulere, hvordan fodknoglerne fra uddøde menneskelige forfædre kunne have oplevet stress under gang, løb eller anden bevægelse."

En yderligere forfatter er Kimberly Cooper, professor i udviklingsbiologi ved University of California, San Diego, som formulerede ideen til projektet sammen med Moore under en separat undersøgelse, der sporer udviklingen og udviklingen af ​​metatarsal fusion i jerboaer. Coopers ekspertise var nøglen til at forstå de evolutionære implikationer af resultaterne.