2022-10-17 ミシガン大学
ミシガン大学とカリフォルニア大学サンディエゴ校の研究チームが、その理由を探った。
どうやら、進化によってジャボアの骨は融合するようになったが、最適な融合量(ジャンプや着地による応力を最も分散できる構造)をオーバーして、完全に融合してしまったようなのである。
この発見は、将来のロボット脚の設計に役立つ可能性がある。この脚は、瞬発的な運動による大きな力に耐えることができる。
ジャーボアは砂漠に生息するげっ歯類で、捕食者を避けるために2本の脚で不規則に飛び跳ねる。体重がわずか3グラムのものから400グラムのものまで、また、体重の重いものでは足の骨(中足骨)が大きく異なるなど、ジャボア科の中でもこの2本の足は大きく異なる。体重の軽いジャーボアは、人間を含む他の多くの哺乳類と同様に、足の中足骨がそれぞれ独立している。
研究者たちは、融合した骨が、融合していない骨よりも低い応力を示し、それによって、より高い負荷に対して補強されることを発見した。しかし、部分的に融合した骨は、完全に融合した骨よりもさらに低い応力であることもわかりました。
種を超えた骨の性能を研究するために、研究者達は、博物館標本のマイクロCTスキャンを行い、ソフトウェアでジャーボアの中足骨の3Dモデルを作り、それらを同じ大きさに縮小して、表面にぶつけたり、曲げたり、飛び降りたりしてストレステストを行いました。
小型のジェルボアには3つの中足骨があり、衝撃の大きいジャンプに使用しても、げっ歯類の小さな体格を支えることができる。最近の大型のジェルボアでは、この3つの骨が完全に融合して1つになっている。中型の種はその中間で、中足骨の内部に部分的に融合した骨の残骸があり、まるで棒の束のようである。
<関連情報>
- https://news.umich.edu/how-evolution-overshot-the-optimum-bone-structure-in-hopping-rodents/
- https://royalsocietypublishing.org/doi/full/10.1098/rspb.2022.1322
四足歩行から二足歩行に移行するジャーボア(Dipodidae)の曲げに耐える中足骨融合体 Metatarsal fusion resisted bending as jerboas (Dipodidae) transitioned from quadrupedal to bipedal
Carla Nathaly Villacís Núñez,Andrew P. Ray,Kimberly L. Cooper and Talia Y. Moore
Proceedings of the Royal Society B Published:05 October 2022
DOI:https://doi.org/10.1098/rspb.2022.1322
Abstract
Hind limbs undergo dramatic changes in loading conditions during the transition from quadrupedal to bipedal locomotion. For example, the most early diverging bipedal jerboas (Rodentia: Dipodidae) are some of the smallest mammals in the world, with body masses that range between 2–4 g. The larger jerboa species exhibit developmental and evolutionary fusion of the central three metatarsals into a single cannon bone. We hypothesize that small body size and metatarsal fusion are mechanisms to maintain the safety factor of the hind limb bones despite the higher ground reaction forces associated with bipedal locomotion. Using finite-element analysis to model collisions between the substrate and the metatarsals, we found that body size reduction was insufficient to reduce bone stress on unfused metatarsals, based on the scaled dynamics of larger jerboas, and that fused bones developed lower stresses than unfused bones when all metatarsals are scaled to the same size and loading conditions. Based on these results, we conclude that fusion reinforces larger jerboa metatarsals against high ground reaction forces. Because smaller jerboas with unfused metatarsals develop higher peak stresses in response to loading conditions scaled from larger jerboas, we hypothesize that smaller jerboas use alternative dynamics of bipedal locomotion to reduce the impact of collisions between the foot and substrate.
