Войти
Скелеты человека и слона. Сравнительная морфология стопы включает сравнение формы дистального отдела конечности структуры различных наземных позвоночных. Понимание роли стопы для каждого типа организмов должно учитывать различия в типе тела, форме стопы, расположении структур, условиях нагрузки и других переменных. Тем не менее, сходство существует и среди ног многих различных наземных позвоночных. лапа собаки, копыто лошади, manus (ступня) и pes (ступня) слона и ступня человека все они имеют общие черты структуры, организации и функций. Их ступни функционируют как платформа для передачи нагрузки, которая необходима для баланса, стояния и различных видов передвижения (таких как ходьба, бег рысью, галоп и бег).
В дисциплине биомиметика применяется информация, полученная путем сравнения морфологии стопы различных наземных позвоночных с проблемами инженерии человека. Например, он может предоставить информацию, которая позволит изменить передачу нагрузки на стопу у людей, которые носят внешний ортез из-за паралича в результате травмы спинного мозга или используют протез после ампутации ноги в связи с диабетом. Такие знания могут быть включены в технологию, улучшающую баланс человека в положении стоя; позволяет им ходить более эффективно и заниматься спортом; или иным образом повышает качество их жизни за счет улучшения их мобильности.
Структура конечностей и ступней типичных наземных позвоночных:
Скелет слона Существуют значительные различия в масштабе и пропорциях тела и конечностей, а также в характере нагрузки, во время стояния и передвижения как между четвероногими и двуногими, так и между ними. Передне-заднее распределение массы тела у четвероногих млекопитающих значительно различается, что влияет на нагрузку на конечности. В положении стоя многие наземные четвероногие переносят большую часть своего веса на передние, а не на задние конечности; однако распределение массы тела и нагрузки на конечности изменяется, когда они двигаются. У людей масса нижних конечностей больше, чем масса верхних конечностей. Задние конечности собаки и лошади имеют немного большую массу, чем передние, тогда как у слона конечности пропорционально более длинные. Передние конечности слона длиннее задних.
У лошади и собаки задние конечности играют важную роль в первичном толчке. Передвижение людей на ногах обычно распределяет одинаковую нагрузку на каждую нижнюю конечность. Передвижение слона (который является крупнейшим наземным позвоночным ) демонстрирует аналогичное распределение нагрузки на его задние и передние конечности. Хождение и бег четвероногих и двуногих демонстрируют различия в относительной фазе движений их передних и задних конечностей, а также их правых конечностей по сравнению с их левыми конечностями. Многие из вышеупомянутых переменных связаны с различиями в масштабировании размеров тела и конечностей, а также с паттернами координации и движений конечностей. Тем не менее, мало что известно о функциональном вкладе стопы и ее структур во время фазы нагрузки. Сравнительная морфология дистальной конечности и структуры стопы некоторых репрезентативных наземных позвоночных обнаруживает некоторые интересные сходства.
Скелет конечностей льва, пример изогнутой костной колонны Даже у многих наземных позвоночных есть различия в масштабировании размеров конечностей, координации конечностей и величине передних конечностей. нагрузка на заднюю конечность, у собаки, лошади и слона структура дистальной части передней конечности аналогична структуре дистальной части задней конечности. У человека структура руки в целом по форме и расположению аналогична структуре стопы. Четвероногие и двуногие наземные позвоночные обычно обладают структурами эндоскелета дистальной конечности и стопы , которые выровнены последовательно, уложены друг над другом в относительно вертикальной ориентации и расположены квазиколончатым образом в вытянутой конечности. У собаки и лошади кости проксимальных конечностей ориентированы вертикально, тогда как структуры дистальных конечностей лодыжки и стопы имеют угловую ориентацию. У людей и слонов вертикальная ориентация костей конечностей и стоп также очевидна для связанных скелетно-мышечных единиц. Ступня лошади содержит внешний гвоздь (копыто), ориентированный по периметру в форме полукруга. Нижележащие кости расположены в полувертикальной ориентации. Лапа собаки также содержит кости, расположенные в полувертикальной ориентации.
У человека и слона колоночная ориентация комплекса стопы заменена у людей стопоходящей ориентацией, а у слонов - полу-стопоходящим выравниванием структуры стопы задних конечностей.. Это различие в ориентации костей стопы и суставов людей и слонов помогает им адаптироваться к различным условиям местности.
Дистальная подушка на ступне енота и слона Многие представители наземных позвоночных обладают дистальной подушкой на нижней поверхности стопы. Лапа собаки содержит ряд вязко -эластичных подушечек, ориентированных вдоль средней и дистальной части лапы. У лошади есть централизованная цифровая подушечка, известная как лягушка, которая расположена на дистальной стороне стопы и окружена копытом. У людей есть жесткая фиброзная и эластичная жировая подушечка, прикрепленная к коже и кости задней части стопы.
Нога слона обладает тем, что, возможно, является одним из самые необычные дистальные подушки позвоночных. Передняя часть стопы (кисть) и задняя часть стопы (стопы) содержат огромные жировые подушечки, которые масштабируются, чтобы справляться с огромными нагрузками, создаваемыми крупнейшими наземными позвоночными. Вдобавок, хрящевой -подобный выступ (в передней и задней конечностях), по-видимому, прикрепляет дистальную подушку к костям слоновьей стопы.
Дистальные подушки всех этих подушек. организмы (собака, лошадь, человек и слон) - это динамические структуры во время передвижения, чередующиеся между фазами сжатия и расширения; Было высказано предположение, что эти структуры, таким образом, уменьшают нагрузки, испытываемые скелетной системой.
Расположение структур стопы:
Из-за большого разнообразия типов телосложения, масштабирование и морфология дистальных конечностей наземных позвоночных, существует определенная полемика относительно природы и организации структур стопы. Один из организационных подходов к пониманию структур стопы делает различия в их региональной анатомии. Структуры стопы делятся на сегменты от проксимального до дистального и сгруппированы по сходству по форме, размеру и функции. При таком подходе стопу можно разделить на три сегмента: заднюю, среднюю и переднюю.
задняя часть стопы - это самая проксимальная и задняя часть стопы. Функционально структуры, содержащиеся в этой области, обычно прочные, обладают большим размером и обхватом, чем другие структуры стопы. Структура задней части стопы обычно приспособлена для передачи больших нагрузок между проксимальной и дистальной сторонами конечности, когда ступня соприкасается с землей. Это проявляется в ногах человека и слона, где задняя часть стопы подвергается большей нагрузке во время первоначального контакта во многих формах передвижения. Структуры задней части стопы собаки и лошади расположены относительно проксимальнее, чем у слона и человека.
средняя часть стопы - это промежуточная часть стопы между задним и передним отделом стопы. Структуры в этой области имеют средний размер и обычно передают нагрузки с заднего отдела стопы на передний. Поперечный сустав предплюсны человека средней части стопы передает силы от подтаранного сустава задней части стопы к суставам передней части стопы (плюснефаланговым и межфаланговым) и связанным с ними костям (плюсневые кости и фаланги). Средняя часть стопы собаки, лошади и слона содержит аналогичные промежуточные структуры, выполняющие функции, аналогичные функциям средней части стопы человека.
передняя часть стопы представляет собой наиболее дистальную часть стопы. У человека и слона костные структуры в этой области обычно длиннее и уже. Структуры передней части стопы играют роль в обеспечении рычага для движения в конечной стойке и передачи нагрузки.
Передача нагрузки стопы у типичных наземных позвоночных:
Лапа собаки Лапа собаки имеет ориентацию пальца. Вертикальная столбчатая ориентация проксимальных костей конечностей, которые соединяются с дистальными структурами стопы, которые расположены в квазивертикальной столбчатой ориентации, хорошо выровнена для передачи нагрузок во время несущего контакта скелета с землей. Угловая ориентация удлиненной плюсневой кости и пальцев расширяет область, доступную для хранения и высвобождения механической энергии в мышечных сухожильных единицах, начинающихся проксимально от голеностопного сустава и заканчивающихся на дистальной стороне кости стопы. Когда единицы мышечных сухожилий удлиняются, растяжение нагрузки способствует механической активности. Эти структуры мышечных сухожилий, по-видимому, хорошо спроектированы для помощи в передаче сил реакции земли, что важно для передвижения. Кроме того, подушечки дистальной лапы, по-видимому, позволяют ослаблять нагрузку за счет усиления поглощения ударов во время контакта лапы с землей.
Секция конской стопы Конская ступня ориентирована копытно. Столбчатая ориентация костей и соединительной ткани также хорошо выровнена для передачи нагрузок во время фазы движения с опорой на вес. Толстое ороговевшее и полукруглое копыто меняет форму при погрузке и разгрузке. Точно так же мягкая лягушка, расположенная по центру на задних концах копыта, подвергается сжатию во время нагрузки и расширению при разгрузке. Вместе копыта и мягкие конструкции лягушки могут работать вместе с копытной капсулой, обеспечивая поглощение ударов. Копыто лошади также действует динамически во время нагрузки, что может амортизировать эндоскелет от высоких нагрузок, которые в противном случае привели бы к критической деформации.
Скелет ноги современного слона Задняя конечность и ступня слона ориентированы на полукруглый наклон и очень напоминают структуру и функцию человеческой ступни. тарсалы и метаподиалы расположены так, что образуют арку, подобно человеческой стопе. Шесть пальцев на каждой ступне слона заключены в гибкую оболочку из кожи. Подобно лапе собаки, фаланги слона ориентированы вниз. Дистальные фаланги слона не касаются земли напрямую, а прикреплены к соответствующему ногтю / копыту. Дистальные подушки занимают промежутки между мышечными сухожилиями и связками в костях заднего, среднего и переднего отделов стопы на подошвенной поверхности. Дистальная подушка сильно иннервируется сенсорными структурами (тельцами Мейснера и Пачини), что делает дистальную ступню одной из самых чувствительных структур слона (в большей степени, чем его хобот). Подушки ноги слона отвечают требованиям сохранять и поглощать механические нагрузки, когда они сжаты, и распределять локомоторные нагрузки по большой площади, чтобы поддерживать напряжение тканей стопы в допустимых пределах. Кроме того, скелетно-мышечный свод стопы и подушка подошвы слона действуют согласованно, подобно подушечкам лягушки и копыта лошади и стопе человека. У слона расположение костных элементов плюсневых костей и пальцев ног в форме почти полу- купулы имеет интересные сходства со структурой сводов стопы человека.
Недавно ученые Королевский ветеринарный колледж в Соединенном Королевстве обнаружил, что у слона есть шестой ложный палец ноги, сесамовидный, расположенный аналогично тому, как у гигантской панды » большой палец". Они обнаружили, что шестой палец ноги поддерживает и распределяет вес слона.
Скелет человека и гориллы (горилла показана в неприродной позе) Уникальный стопоходящее выравнивание стопы человека приводит к формированию структуры дистального отдела конечности, которая может адаптироваться к различным условиям. Менее подвижные и более прочные предплюсневые кости имеют форму и выровнены так, чтобы воспринимать и передавать большие нагрузки на ранних этапах стойки (начальный контакт и фазы реакции на нагрузку при ходьбе и непреднамеренные удары пяткой во время бега). предплюсны средней части стопы, которые меньше и короче, чем лапки заднего отдела стопы, кажутся хорошо ориентированными для передачи нагрузок между задним и передним отделом стопы; это необходимо для передачи нагрузки и фиксации стопного комплекса в жестком рычаге для фазы поздней стойки. И наоборот, кости и суставы средней части стопы также обеспечивают передачу нагрузок и движение между суставами, которое разблокирует стопу и создает неплотно упакованную структуру, которая делает стопу очень гибкой на различных поверхностях. В этой конфигурации ступня способна поглощать и амортизировать большие нагрузки, возникающие во время удара пяткой и раннего принятия веса. Передняя часть стопы с ее длинной плюсневой и относительно длинной фалангой передает нагрузки во время фазы окончания стойки, что облегчает отталкивание и передачу движения вперед. Передняя часть стопы также служит рычагом , позволяющим сохранять равновесие во время стояния и прыжков. Кроме того, своды стопы, охватывающие заднюю, среднюю и переднюю части стопы, играют решающую роль в характере преобразования стопы из жесткого рычага в гибкую, воспринимающую вес конструкцию.
При беговой походке порядок нагружения стопы обычно противоположен ходьбе. Стопа ударяется о землю подушечкой стопы, а затем пятка падает. Пятка упруго расширяет ахиллово сухожилие ; это расширение меняется на противоположное во время отталкивания.
Ветеринары или специалисты в области здравоохранения часто реагируют, когда у собаки, лошади, слона или человека развивается аномалия. Обычно они проводят исследования, чтобы понять природу патологии, чтобы разработать и внедрить план клинического лечения. Например, лапы собаки и задняя часть стопы работают вместе, чтобы поглощать толчки от прыжков и бега и обеспечивать гибкость движений. Если скелетные структуры собаки в областях, отличных от ступни, нарушены, ступня может быть нагружена компенсирующей нагрузкой. Структурные дефекты, такие как прямые или свободные плечи, прямые коленные суставы, свободные бедра и отсутствие равновесия между передним и задним отделом стопы, могут вызывать нарушения походки, которые, в свою очередь, повреждают заднюю часть стопы и лапы из-за перегрузки структур стопы, например они компенсируют структурные дефекты.
У лошади сухость копыт может вызвать жесткость внешней структуры стопы. Более жесткое копыто снижает способность стопы амортизировать нагрузку, делая лошадь неспособной выдерживать большой вес на дистальной части конечности. Подобные характерные особенности проявляются в стопе человека в виде деформации выравнивания pes cavus, которая создается плотными соединительнотканными структурами и конгруэнтностью суставов, которые создают жесткий комплекс стопы. Лица с каверной стопой демонстрируют характерные сниженные характеристики ослабления нагрузки, а другие структуры, проксимальные к стопе, могут компенсировать повышенную передачу нагрузки (например, чрезмерную нагрузку на колени, бедра, пояснично-тазовые суставы или поясничные позвонки). Заболевания стопы часто встречаются у содержащихся в неволе слонов. Однако причина плохо изучена.
