進化·直立行走的獲益與代價

蔡如鵬

直立行走讓我們節省了更多的能量，但也給我們帶來了背痛、膝關節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省能量。這樣的解釋似乎過于簡單，不過你可不要小看省下來的那點力氣，科學家們說，在當時的自然環境下，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”，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，還要應付孕婦分娩時的險象還生。

雙腿行走更省力

有關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中散熱。

現在，幾位美國科學家又給出了一種新的解釋。他們在出版的美國《國家科學院學報》上撰文說，人類之所以最終進化成為兩條腿走路的動物，主要是因為這種行走方式最為節省能量。

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

在現有的物種中，從進化關系看，黑猩猩是與人類最近的親戚。同時，在身體大小、骨骼特征方面都與人類最為相仿。因此，在對比直立行走與四肢行走的能量消耗實驗中，索科爾說，黑猩猩是絕佳的實驗樣本。更重要的是，經過訓練，黑猩猩也能短暫地像人類那樣直立行走。

實驗中，訓練師在黑猩猩的關節上涂抹上白色的小斑點，給它們頭戴小面罩，再讓它們在跑步機上時而兩腿著地緩步慢行、時而四肢著地指關節拄地行走。面罩連接著收集氧氣量的儀器，科學家們藉此可以了解黑猩猩在運動過程中的能量消耗。攝像機則記錄下了它們肢體(即白色斑點所示處)運動的詳細情況，這些數據可以幫助科學家們進一步了解能量是怎么被用掉的。

通過對5只黑猩猩和4個成年人在跑步機上運動時耗氧量的比較，研究人員發現，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，節省了差不多75％的能量。科學家們說，這些定量的數據說明直立行走比四肢行走更節省能量。

有趣的是，科學家們不但發現直立行走比四肢指關節拄地行走更有優勢，還發現同一群體不同個體之間也存在著很大的差異。在這次實驗中，總體而言，黑猩猩兩腿直立行走和四肢著地行走時所耗費的能量幾乎沒有差別，但是，長期進行直立行走訓練的黑猩猩，會比短期訓練的黑猩猩更節省能量。

賴希倫說，一只黑猩猩用兩腿行走時消耗較少的能量，另一只消耗與四肢行走時相同的能量，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，膝蓋和臀部看上去似乎更加舒展。”

帶來骨骼巨變

事實上，數十年來，有不少科學家一直在推測，人類祖先開始直立行走是因為兩條腿比四肢著地更省力，在采摘果實等方面有更大優勢。但是這一理論的支撐數據一直不足。

“幾十年來，研究人員一直就能量學在人類進化為兩足動物的問題上爭論不休，因為那時幾乎沒有具有說服力的研究數據。”賴希倫說，“這篇論文給節省能量在兩腿直立行走的進化中起了重要作用的理論提供了強有力的支持。”

此前，科學家們一般認為，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行走的(編者注：現在這一理論正受到挑戰，但與本文主題并不矛盾)。索科爾說，那時，東非地區的降水越來越少，原本茂盛得密不透風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的路來獲取足夠的食物。“假如用兩條腿走遠路能省點力氣，那么，誰長途跋涉更不費勁，誰就占便宜。”

“如果四處采集食物時能節省些能量，那份能量就可以用來發育和繁殖。”賴希倫說：“人類的祖先一旦發現了直立行走的好處，他們便會慢慢適應這種新的行走方式，這就是自然選擇的作用。”

“從能量的角度解釋直立行走的出現，是一個新的視角。”中國科學院古脊椎動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，“從已發表的論文看，實驗設計新穎，結論可信。”

盡管這項研究找到了直立行走的優勢，但在解釋為什么是我們的祖先首先由四肢著地行走進化到雙足直立行走的問題上還不夠有說服力。“在現有250多個靈長類物種中，只有一個物種是用兩條腿走來走去的一那就是我們人類。”美國南加州大學的人類學家克雷格·斯坦福說。

科學家們承認，要充分了解直立行走的來由，我們還差得很遠。但對于“這種獨特而奇異的移動方式”對人類的改變，都認同這是個巨變。劉武說，與制造工具相比，直立行走更應該看作區分人猿的標志，因為它不僅解放了雙手、開闊了視野，而且為其他方面的演化奠定了基礎，比如人類腦量的膨脹。

直立行走和四肢移動在生物力學上有著天壤之別。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的沖擊，四肢的關節和脊椎開始變大；骨盆也從又長又細的漿狀變成又寬又細的鞍形，將軀干的重量自上而下推給雙腿。

我們的祖先經過許多世代更迭、漫長歲月洗禮而形成的這些改變，看來的確沒有白費功夫，事實證明相當實用。哈佛大學人類學系的丹·利伯曼通過實驗發現，直立行走可以說是有關平衡、協調、效率的壯舉。

他發現，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，身體在其上做弧線擺動。這使得身體每邁出一步所消耗的大部分能量得以儲存，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，可要費九牛二虎之力。因為黑猩猩沒法像人類那樣兩腿繃得筆直，得動用肌肉的力量來支撐體重，晃來晃去地浪費了不少能量。”

但直立行走造成的骨骼變化，并不都是有利的。“演化顯然不是個工程師，而更像個補鍋匠，它只能在原有的基礎上修修補補。”美國特拉華大學的人類學主任卡倫·羅森堡說，直立行走雖然解放了雙手，但為此達成的演化妥協，也帶來了一大堆人類特有的煩惱。

進化妥協的代價

背痛是人類最常見的身體不適之一，大多數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．菲勒博士一直在設法弄清楚人們為什么會經常背痛。這位脊柱專家最近確信，這與人類的直立行走有關。

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

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，與其他動物的脊柱有很大的差異。美國密蘇里大學哥倫比亞分校的人類學家卡羅爾‘沃德說：“脊柱原來是起拱頂作用的，一旦直立起來，它就不得不充當承重的立柱了。”

沃德說，這種S形的脊柱從耗能的角度看，既經濟又有效，維系著人體平衡和雙足移動。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，椎間盤就可能會突出，壓迫脊椎神經，引起疼痛。科學家們說，除了人類及其祖先外，沒有一種靈長類動物領教過這種背部不適。

分娩對所有的婦女來說，都是一場嚴酷的考驗，因為它意味著劇痛和風險。但，與人類相比，大部分靈長類動物對此卻并不發愁——它們的胎兒在穿越產道時，可以說是暢通無阻。那么，人類的產道為什么會曲折難行呢?

科學家們的解釋是，這都是因為要照顧直立行走的需要。羅森堡說，婦女骨盆的結構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。結果是，產道嚴重變窄，雖然還算管用，但只是勉強將就，對寶寶和媽媽來說都是一道“鬼門關”。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，我們的下肢承擔的壓力可能接近體重的好幾倍，膝關節、踝關節、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。