中国新闻周刊：人类直立行走的获益与代价

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　　直立行走让我们节省了更多的能量，但也给我们带来了背痛、膝关节痛和分娩痛苦等等麻烦

　　★ 本刊记者/蔡如鹏

　　人类的祖先为什么放弃四肢着地，而选择直立行走？研究人员最新给出的答案是节省能量。这样的解释似乎过于简单，不过你可不要小看省下来的那点力气，科学家们说，在当时的自然环境下，那很可能就意味着谁能够生存，谁将被淘汰。

　　不仅如此，为了“站起来”，我们的祖先可以说是“不惜代价”，以至今天我们还不得不为此埋单——饱尝足痛膝伤之苦，忍受背痛的折磨，还要应付孕妇分娩时的险象还生。

　　双腿行走更省力

　　有关人类为何直立的理论可谓是五花八门，至今仍无定论。有人说是我们的祖先为了腾出手来抱孩子、拿吃的，有人说是为了去摘以前够不着的果子，甚至还有人说这只是为了可以更好地在微风中散热。

　　现在，几位美国科学家又给出了一种新的解释。他们在出版的美国《国家科学院学报》上撰文说，人类之所以最终进化成为两条腿走路的动物，主要是因为这种行走方式最为节省能量。

　　这三位美国科学家分别是加州大学戴维斯分校的迈克尔·索科尔、亚利桑那大学的戴维·赖希伦和华盛顿大学的赫尔曼·庞泽尔。他们通过比较黑猩猩与人类行走时所消耗的能量得出了上述结论。

　　在现有的物种中，从进化关系看，黑猩猩是与人类最近的亲戚。同时，在身体大小、骨骼特征方面都与人类最为相仿。因此，在对比直立行走与四肢行走的能量消耗实验中，索科尔说，黑猩猩是绝佳的实验样本。更重要的是，经过训练，黑猩猩也能短暂地像人类那样直立行走。

　　实验中，训练师在黑猩猩的关节上涂抹上白色的小斑点，给它们头戴小面罩，再让它们在跑步机上时而两腿着地缓步慢行、时而四肢着地指关节拄地行走。面罩连接着收集氧气量的仪器，科学家们藉此可以了解黑猩猩在运动过程中的能量消耗。摄像机则记录下了它们肢体(即白色斑点所示处)运动的详细情况，这些数据可以帮助科学家们进一步了解能量是怎么被用掉的。

　　通过对5只黑猩猩和4个成年人在跑步机上运动时耗氧量的比较，研究人员发现，人类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，节省了差不多75%的能量。科学家们说，这些定量的数据说明直立行走比四肢行走更节省能量。

　　有趣的是，科学家们不但发现直立行走比四肢指关节拄地行走更有优势，还发现同一群体不同个体之间也存在着很大的差异。在这次实验中，总体而言，黑猩猩两腿直立行走和四肢着地行走时所耗费的能量几乎没有差别，但是，长期进行直立行走训练的黑猩猩，会比短期训练的黑猩猩更节省能量。

　　赖希伦说，一只黑猩猩用两腿行走时消耗较少的能量，另一只消耗与四肢行走时相同的能量，其他三只黑猩猩两腿行走要消耗更多的能量。对于那只两腿行走更省力的黑猩猩，它的步幅比较大，赖希伦解释说：“(它)行走时，膝盖和臀部看上去似乎更加舒展。”

　　带来骨骼巨变

　　事实上，数十年来，有不少科学家一直在推测，人类祖先开始直立行走是因为两条腿比四肢着地更省力，在采摘果实等方面有更大优势。但是这一理论的支撑数据一直不足。

　　“几十年来，研究人员一直就能量学在人类进化为两足动物的问题上争论不休，因为那时几乎没有具有说服力的研究数据。”赖希伦说，“这篇论文给节省能量在两腿直立行走的进化中起了重要作用的理论提供了强有力的支持。”

　　此前，科学家们一般认为，人类的祖先大约是600万至800万年前，在非洲开始尝试采取直立姿势行走的(编者注：现在这一理论正受到挑战，但与本文主题并不矛盾)。索科尔说，那时，东非地区的降水越来越少，原本茂盛得密不透风的森林变得越来越稀疏空旷，食物来源也变得越来越分散。我们的祖先不得不走更远的路来获取足够的食物。“假如用两条腿走远路能省点力气，那么，谁长途跋涉更不费劲，谁就占便宜。”

　　“如果四处采集食物时能节省些能量，那份能量就可以用来发育和繁殖。”赖希伦说：“人类的祖先一旦发现了直立行走的好处，他们便会慢慢适应这种新的行走方式，这就是自然选择的作用。”

　　“从能量的角度解释直立行走的出现，是一个新的视角。”中国科学院古脊椎动物与古人类研究所古人类研究室主任刘武研究员告诉本刊记者，“从已发表的论文看，实验设计新颖，结论可信。”

　　尽管这项研究找到了直立行走的优势，但在解释为什么是我们的祖先首先由四肢着地行走进化到双足直立行走的问题上还不够有说服力。“在现有250多个灵长类物种中，只有一个物种是用两条腿走来走去的——那就是我们人类。”美国南加州大学的人类学家克雷格·斯坦福说。

　　科学家们承认，要充分了解直立行走的来由，我们还差得很远。但对于“这种独特而奇异的移动方式”对人类的改变，都认同这是个巨变。刘武说，与制造工具相比，直立行走更应该看作区分人猿的标志，因为它不仅解放了双手、开阔了视野，而且为其他方面的演化奠定了基础，比如人类脑量的膨胀。

　　直立行走和四肢移动在生物力学上有着天壤之别。这让我们的祖先从颈部向下直到脚上的骨骼不得不为之一变。颅骨和脊椎重新排列，使头部和躯干保持在一条垂直线上；为了支撑身体的重量并缓冲直立行走时的冲击，四肢的关节和脊椎开始变大；骨盆也从又长又细的浆状变成又宽又细的鞍形，将躯干的重量自上而下推给双腿。

　　我们的祖先经过许多世代更迭、漫长岁月洗礼而形成的这些改变，看来的确没有白费功夫，事实证明相当实用。哈佛大学人类学系的丹·利伯曼通过实验发现，直立行走可以说是有关平衡、协调、效率的壮举。

　　他发现，在行走过程中，双腿的作用就像颠倒的摆钟——以一条支撑腿为支点，身体在其上做弧线摆动。这使得身体每迈出一步所消耗的大部分能量得以储存，减少了一半以上的能量消耗。

　　“跟黑猩猩比较一下就知道了，”利伯曼说，“它们直立行走，可要费九牛二虎之力。因为黑猩猩没法像人类那样两腿绷得笔直，得动用肌肉的力量来支撑体重，晃来晃去地浪费了不少能量。”

　　但直立行走造成的骨骼变化，并不都是有利的。“演化显然不是个工程师，而更像个补锅匠，它只能在原有的基础上修修补补。”美国特拉华大学的人类学主任卡伦·罗森堡说，直立行走虽然解放了双手，但为此达成的演化妥协，也带来了一大堆人类特有的烦恼。

　　进化妥协的代价

　　背痛是人类最常见的身体不适之一，大多数人一生中总要忍受让人浑身乏力的背痛。美国洛杉矶市的阿伦·菲勒博士一直在设法弄清楚人们为什么会经常背痛。这位脊柱专家最近确信，这与人类的直立行走有关。

　　菲勒在《神经外科学焦点》杂志上撰文说，椎骨中出现的一些重大变化使人类祖先得以直立并携带物体，但同时也使它容易挤压损伤椎间盘。他发现，一种被称为横突的骨骼特征提供了重要线索。在大多数动物中，横突位于椎骨的前侧，朝向动物的腹部，而在人类和早期人类祖先的化石身上，横突发生后移。

　　人类的脊柱呈S形，腰部向前弯，形成脊柱前凸，背部向后弯，形成脊柱后凸，与其他动物的脊柱有很大的差异。美国密苏里大学哥伦比亚分校的人类学家卡罗尔·沃德说：“脊柱原来是起拱顶作用的，一旦直立起来，它就不得不充当承重的立柱了。”

　　沃德说，这种S形的脊柱从耗能的角度看，既经济又有效，维系着人体平衡和双足移动。但却承受了过度的压迫，“让它吃了不少苦”。椎骨在受到长期挤压时，椎间盘就可能会突出，压迫脊椎神经，引起疼痛。科学家们说，除了人类及其祖先外，没有一种灵长类动物领教过这种背部不适。

　　分娩对所有的妇女来说，都是一场严酷的考验，因为它意味着剧痛和风险。但与人类相比，大部分灵长类动物对此却并不发愁——它们的胎儿在穿越产道时，可以说是畅通无阻。那么，人类的产道为什么会曲折难行呢？

　　科学家们的解释是，这都是因为要照顾直立行走的需要。罗森堡说，妇女骨盆的结构既要使直立行走成为可能，又得让宝宝通过，它必须在两种需求之间取舍平衡。结果是，产道严重变窄，虽然还算管用，但只是勉强将就，对宝宝和妈妈来说都是一道“鬼门关”。在100多年前，分娩是育龄妇女的首要死因。

　　直立行走带来的烦恼还不止这些。在奔跑或快步走时，我们的下肢承担的压力可能接近体重的好几倍，膝关节、踝关节、足部也承受了更多的压力，这也正是人类饱尝足痛膝伤之苦的原因所在。 ★