Hóa ra 100 năm khoa học đã nhầm: Chỗ lõm trên bàn chân không giúp con người đứng thẳng, mà là vòm xương ngang

ZKNIGHT |

Hóa ra 100 năm khoa học đã nhầm: Chỗ lõm trên bàn chân không giúp con người đứng thẳng, mà là vòm xương ngang
Hóa ra 100 năm khoa học đã nhầm: Chỗ lõm trên bàn chân không giúp con người đứng thẳng, mà là vòm xương ngang

Phát hiện mới của các nhà khoa học về cấu trúc xương vòm ngang không chỉ là một minh chứng cho sự hoạt động kỳ diệu của vật lý, một lời giải thay thế cho những lý thuyết cũ đã có cách đây hàng thế kỷ, mà còn mở ra những ứng dụng mới cho y học.

Con người sẽ không thể đứng thẳng và đi lại bằng hai chân, nếu không có một cấu trúc xương hình vòm, chạy ngang ngay giữa bàn chân của bạn và vuông góc sau những ngón chân. Đây là một phát hiện cực kỳ mới vừa được đăng tải trên tạp chí Nature.

Cấu trúc xương vòm này không hề có ở các loài linh trưởng họ hàng gần với chúng ta như gorillas hoặc tinh tinh. Điều đó giải thích tại sao chúng không thể đi lại và đứng thẳng hoàn toàn. Các cấu trúc xương vòm ngang chỉ xuất hiện trên chi Homo, hay chi người khoảng 3,4 triệu năm về trước.

Mặc dù rất nhỏ, chúng lại đang phải chịu một lực tải rất lớn khi bạn đứng thẳng, và đặc biệt là khi bạn chạy. Những cấu trúc xương vòm này rõ ràng đã đóng một vai trò không thể phủ nhận trong sự phát triển của loài người.

Hóa ra 100 năm khoa học đã nhầm: Chỗ lõm trên bàn chân không giúp con người đứng thẳng, mà là vòm xương ngang - Ảnh 1.
Hóa ra 100 năm khoa học đã nhầm: Chỗ lõm trên bàn chân không giúp con người đứng thẳng, mà là vòm xương ngang - Ảnh 2.

Hóa ra 100 năm khoa học đã nhầm: Chỗ lõm trên bàn chân không giúp con người đứng thẳng, mà là vòm xương ngang

Trong trường hợp bạn đang tìm kiếm những xương vòm ngang dưới bàn chân mình, hãy nhớ đừng nhầm nó với vết lõm chạy dọc phía trong hai lòng bàn chân của mình. Cấu trúc vòm dọc này chạy từ gót chân đến bàn chân trước và được củng cố bởi các mô đàn hồi bên dưới.

Mặc dù vòm dọc có cơ chế hoạt động như một chiếc cung có dây, và từng được coi là một bộ phận chịu lực chính khi con người đứng thẳng và đi lại, nhưng các nhà khoa học bây giờ đã phát hiện ra cấu trúc vòm ngang của bàn chân. Và các thử nghiệm cho thấy đó mới chính là chìa khóa giúp con người đứng thẳng.

Nghiên cứu được thực hiện dưới sự dẫn dắt của các nhà khoa học Madhusudhan Venkadesan đến từ đại học Yale Hoa Kỳ, Shreyas Mandre đến từ Đại học Warwick, Anh Quốc và Mahesh Bandi đến từ Viện Khoa học và Công nghệ Okinawa, Nhật Bản.

Họ đã cùng nhau trả lời một câu hỏi tưởng chừng đã có lời giải đáp từ một thể kỷ trước: Tại sao chân con người lại cứng đến vậy?

Chúng ta biết rằng khi đứng, bàn chân là nơi phải chịu đựng toàn bộ trọng lượng cơ thể. Lực tác động vào đó có thể được nhân gấp hơn 2 lần khi chúng ta chạy. Bất chấp tải trọng cực kỳ lớn này, bàn chân của con người vẫn giữ được nguyên vẹn mà không bị uốn cong trong suốt cuộc đời.

Điều đó khiến chúng ta trở thành loài linh trưởng duy nhất còn tồn tại có khả năng đứng thẳng hoàn toàn.

Hóa ra 100 năm khoa học đã nhầm: Chỗ lõm trên bàn chân không giúp con người đứng thẳng, mà là vòm xương ngang - Ảnh 3.

Lực tải tác động vào bàn chân khi con người chạy bộ có thể gấp hơn 2 lần trọng lượng cơ thể khi đứng im.

Khoảng 100 năm trở lại đây, vòm dọc có hình cánh cung thường được cho là câu trả lời duy nhất và chính xác nhất cho bí ẩn này.

Tuy nhiên, khi Venkadesan và các đồng nghiệp nhìn vào một cấu trúc xương ít được chú ý đến ở bàn chân, họ mới biết chúng ta đã nhầm.

Một loạt các thí nghiệm, sử dụng mô phỏng cơ học của bàn chân, mẫu vật từ bàn chân người chết và các mẫu hóa thạch từ tổ tiên và những loài họ hàng đã tuyệt chủng của chúng ta (hominin) bây giờ đã cho thấy:

Chính cấu trúc xương vòm ngang, ngay phía dưới và vuông góc với các xương ngón chân mới đang là nơi chịu lực tải lớn nhất cho cơ thể khi chúng ta đứng thẳng và di chuyển.

Hóa ra 100 năm khoa học đã nhầm: Chỗ lõm trên bàn chân không giúp con người đứng thẳng, mà là vòm xương ngang - Ảnh 4.

Cấu trúc vòm ngang (màu xanh) chứ không phải vòm dọc (màu đỏ) mới là nơi chịu tải nặng nhất trên bàn chân bạn.

Lý do mà vòm ngang đóng vai trò rất quan trọng đến dáng đứng của loài người có thể được tìm thấy ngay trong ví của bạn. Lấy ra một tờ tiền, cầm lấy một đầu của nó và bạn sẽ thấy tờ tiền rủ xuống.

Bây giờ, nếu bạn nhấn ngón cái xuống để tạo được một hình vòm ở đầu tờ tiền, nó sẽ được giữ thẳng băng và rất chắc chắn.

"Hiệu ứng đó cũng hoạt động ở bàn chân của chúng ta", Venkadesan nói. "Nó không đơn giản như một tờ giấy vì còn có nhiều mô và cấu trúc khác ở bàn chân tham gia vào, nhưng nguyên tắc thì giống hệt".

Hóa ra 100 năm khoa học đã nhầm: Chỗ lõm trên bàn chân không giúp con người đứng thẳng, mà là vòm xương ngang - Ảnh 5.
Hóa ra 100 năm khoa học đã nhầm: Chỗ lõm trên bàn chân không giúp con người đứng thẳng, mà là vòm xương ngang - Ảnh 6.

Độ cong ở một đầu đã tạo nên độ cứng của toàn bộ tờ tiền.

Sử dụng phân tích và mô phỏng toán học, các nhà nghiên cứu đã tìm được nguyên lý cơ học giải thích tại sao độ cong lại tạo ra độ cứng, cụ thể thì việc uốn cong một cấu trúc cũng đang làm cho vật liệu giãn ra. Ngay cả một tờ giấy mỏng cũng khá cứng nếu bạn cố gắng kéo giãn nó.

Và chỉ cần một cấu trúc xương vòm nằm ngang cũng đủ để tạo ra độ cứng cho cả lòng bàn chân, các nhà nghiên cứu giải thích.

"Chúng tôi thấy rằng vòm ngang, hoạt động thông qua các mô ngang, chịu trách nhiệm cho gần một nửa độ cứng của bàn chân, nhiều hơn đáng kể so với những gì mà vòm dọc đóng góp", Carolyn Eng, một nhà khoa học nghiên cứu tại phòng thí nghiệm của Venkadesan cho biết.

Để kiểm tra lý thuyết ấy thêm một lần nữa, họ đã thực hiện các thí nghiệm trên bàn chân và các mô cơ của những thi thể hiến tặng. Kết quả của nó tiếp tục củng cố các phát hiện trên mô hình toán học.

Và một thí nghiệm đơn giản với các lò xo ngang dưới đây cũng có thể cho bạn hình dung độ cong của một cấu trúccó ảnh hưởng thế nào tới độ chịu tải của nó:

Thử nghiệm cho thấy độ cong ảnh hưởng thế nào đến độ chịu tải.

"Chúng tôi thấy rằng các lò xo ngang, mô phỏng các mô kéo dài theo chiều rộng bàn chân của bạn, rất quan trọng đối với độ cứng được tạo ra bởi độ cong", Ali Yawar, một nhà nghiên cứu làm việc trong phòng thí nghiệm của Venkadesan nói.

Những kết quả này cũng có thể giải thích làm thế nào mà loài Australopithecus afarensis, một giống linh trưởng họ hàng với chúng ta, sống cùng thời với Lucy ở khoảng 3,66 triệu năm về trước cũng có thể đứng thẳng với một vòm dọc ở bàn chân, mặc dù cấu trúc này chưa thể hiện độ cong lớn như ở con người.

Ngoài ra, toàn bộ các loài linh trưởng khác, bao gồm cả tinh tinh và gorillas hiện đều không thể đứng thẳng vì bàn chân của chúng không có các cấu trúc xương vòm ngang này.

Làm việc với Andrew Haims, một giáo sư tại Trường Y Đại học Yale, các nhà nghiên cứu đã phát triển một kỹ thuật để đo độ cong của vòm bàn chân. Áp dụng kỹ thuật này cho các mẫu hóa thạch, bao gồm cả loài A. afarensis, họ đã tìm ra khoảng thời gian mà các loài hominin đầu tiên đã phát triển các cấu trúc xương vòm ngang.

"Bằng chứng của chúng tôi cho thấy một vòm ngang giống với con người có thể đã phát triển từ hơn 3,5 triệu năm về trước, đó là một khoảng thời gian dài tới 1,5 triệu năm trước khi chi Homo xuất hiện, một bước quan trọng trong quá trình tiến hóa của người hiện đại".

Hóa ra 100 năm khoa học đã nhầm: Chỗ lõm trên bàn chân không giúp con người đứng thẳng, mà là vòm xương ngang - Ảnh 8.

Australopithecus afarensis (giữa) đã có thể đứng thẳng dậy như con người (trái) khi có cấu trúc vòm cong ở bàn chân, thứ mà tinh tinh (phải) không hề có.

Phát hiện mới của các nhà khoa học về cấu trúc xương vòm ngang không chỉ là một minh chứng cho sự hoạt động kỳ diệu của vật lý, một lời giải thay thế cho những lý thuyết cũ đã có cách đây hàng thế kỷ, mà còn mở ra những ứng dụng mới cho y học.

Các nhà nghiên cứu cho biết các hệ thống chi giả trong tương lai cần được phát triển theo hướng củng cố cấu trúc vòm ngang này thay vì chỉ tập trung vào vòm dọc. Các robot hình người cũng có thể áp dụng nguyên lý tương tự.

Và cấu trúc vòm ngang ở lòng bàn chân sẽ là một hướng nghiên cứu mới cho các nhà sinh học tiến hóa, nếu muốn họ muốn đào sâu tìm hiểu về quá trình đứng thẳng dậy của loài người.

Tham khảo Science, Phys


theo Theo Trí Thức Trẻ