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为什么鸵鸟能跑得这么快？译者：?reader666666发表时间：2012-02-05浏览量：5325评论数：0挑错数：0是什么使得鸵鸟成为了陆地上的长跑冠军？尼娜-夏勒博士花了近十年的时间调查研究，终于揭开了秘密。 鹰击长空，鱼翔浅底，万类霜天竞自由。当我们欣赏翱翔的海鸥，潜水的企鹅时，我们很少考虑到，这些戴羽毛的动物，其实与我们人类共同拥有一项非常罕见的特质 - 鸟类和我们人类是地球上唯一真正靠两足移动的动物?是什么使得鸵鸟成为了陆地上的长跑冠军？尼娜-夏勒博士花了近十年的时间调查研究，终于揭开了秘密。鹰击长空，鱼翔浅底，万类霜天竞自由。当我们欣赏翱翔的海鸥，潜水的企鹅时，我们很少考虑到，这些戴羽毛的动物，其实与我们人类共同拥有一项非常罕见的特质?-?鸟类和我们人类是地球上唯一真正靠两足移动的动物。而大多数其他的动物，靠得是四条，六条或更多条的腿,?在陆地上移动。进化已经从两个方面解决了两条腿在地面移动的挑战：人类靠的是足，当我们走路或跑步时，?我们把整个脚部压在地面上，而鸟类靠的是趾，它们走路用自己的脚趾。一些鸟类物种，不仅可以跑得比人类更快，而且速度甚至可以超过它们会飞行的同类。陆地上最快的长跑动物是非洲鸵鸟。它们可以不停地以每小时60公里，最高时速甚至超过每小时70公里的速度奔跑，在40分钟里跑完42公里的奥运会马拉松比赛，而人类则需要花上两个多小时。(国际田联2004年宣布，埃塞俄比亚选手格布雷西拉西耶为男子马拉松的世界纪录保持者，成绩为2小时03分59秒；英国选手拉德克里夫被正式认定为女子马拉松的世界纪录保持者，成绩为2小时15分25秒。)?这种无与伦比的速度和耐力的结合，使鸵鸟能够很快地跑很远的距离，以便寻找新的牧场，让饥饿的鬣狗望尘莫及。长期以来，科学家们一直在探索动物在地面上运动的秘密，特别是狗和赛马的奔跑能力。然而，通常对飞禽的运动模式的研究，往往集中在探索飞行动力学方面，而较少关注那些善于奔跑的禽类物种。我在2002年完成生物学学位以后，到德国法兰克福动物园做义工。在那里，鸵鸟无与伦比的奔跑能力，让我着迷，于是决定调查研究一番。我的博士论文研究的基本假设是，鸵鸟的运动系统以极高的效率对地面做功，使运动输出能量，既速度和耐力，最大化，同时使自身肌肉消耗和新陈代谢所需的能量最少化。为了检验这个假设，我决定研究鸵鸟运动系统的形式和功能。通过解剖鸵鸟，我寻找可能会降低运动时新陈代谢成本的特殊的肢体结构。同时，我还研究活的鸵鸟的生物力学，探索它们在运动时，各种物理力如何与它们的解剖学结构进行相互作用。为了近距离地观察它们自然的运动状态，我亲手在一个大型户外围场里孵养了三只鸵鸟。四年多，我让它们习惯于我的存在，以及为它们做实验的跑道。要知道，跟鸵鸟们的相互信任是至关重要的，如果惹恼了它们，它们可以一蹄子踹死一只狮子。长而轻的腿让速度最大化陆地上奔跑的动物，靠增加步幅长度和加快摆腿频率来提高速度。更长的腿可以摆动得更远，如果腿部的肌肉块更靠近身体重心，摆动腿的节奏就可以更快一些，就像摆动节拍器那样，可调重量越接近支点，摆动的节奏就越快。?图1：腿上各段的长度的比较，N表示检验的标本数量。腿的各段摆动部分相对长度：大腿骨为深蓝色；胫骨为淡蓝色；跗跖骨为淡橙色；主脚趾为暗橙色。从左到右依次为:?非洲鸵鸟(Ostrich)，美洲鸵鸟(Greater rhea)，达尔文南美鸵鸟(Daewins rhea)，鸸鹋（emu)，?食火鸡(Cassowary)，几维鸟(Kiwi)，走鹃(Road runner)。为了研究这一原理，对于居住在地面的能快速奔跑的各种鸟类，我比较了它们腿上各段的长度（图1）和肌肉质量的分布。在所有走禽类，鸵鸟拥有相对其身体大小最长的腿，并拥有最长的奔跑步幅长度-每步约5米。此外，与其它鸟类相比，鸵鸟腿部肌肉的大部分，更集中在大腿骨和髋骨的较高的位置上，而腿上较低的摆动部分则比较轻盈，由长而少肉的肌腱拉动（图2）。这样的优化安排，让鸵鸟的腿能够更有效地以大步长和高步频进行快速奔跑。?图2：人和鸵鸟之间腿的解剖学比较。鸵鸟的位于踝关节和脚趾之间的跗跖骨，比人类的跗跖骨长得多，其功能相当于人类的小腿胫骨。鸵鸟的踝关节的高度与我们的膝盖在同一高度水平上，这就解释了，为什么鸵鸟的膝盖会出现向后方的弯曲。鸵鸟真正的膝关节，隐藏在羽毛下，而且永久地弯曲着。膝关节通过短而水平布置的大腿骨，连接到髋关节上。图2的红色线连接人类和鸵鸟在解剖学上相同的关节，绿线连接人类和鸵鸟在实际功能上等效的关节。鸵鸟的肌肉都集中在腿的上方，而在较低的部位，以长肌腱为主。黄色阴影部分显示出主要肌肉的分布，蓝线表示主要肌腱的位置。稳定的关节使耐力最大化大范围的关节运动，使人类能够爬树，跳芭蕾舞，但是，这种灵活性是有代价的。奔跑时，我们使用肌肉力