竹节虫研究表明被动肌肉力量对快速运动的意义

竹节虫研究表明被动肌肉力量对快速运动的意义

动物学家对不同大小的四肢的运动功能有了新的见解。长而重的四肢(如胳膊或腿)在执行快速动作的能力上与短而轻的四肢(如手指)有着根本的不同。中枢神经系统必须主动控制大肢的快速运动，而被动肌肉力则可以满足小肢和轻肢的运动速度和运动幅度。这是科隆大学动物学家Ansgar Bueschges、Arndt von Twickel和Christoph Guschlbauer与俄亥俄大学科学家Scott Hooper合作对竹节虫进行研究的结果。

有不同的基本速度水平的运动,直到整个电机动作最佳执行,Bueschges说:“如果我们看看摆动腿当我们行走时,例如,摆动阶段将腿为下一步回到起始位置。有了这个反馈，腿的摆动速度在接近终点时降低，这样脚就不会那么快地着地。如果没有减速，着陆时产生的力会非常大，足以抵消下一个步骤。“我们的神经系统会使像人类腿这样的四肢减速。”

然而，对于昆虫骨骼等较小的肢体，研究人员已经证明，在摆动等快速运动过程中，腿部的减速与中枢神经系统无关。冯·特威克尔解释说，这是由于肢体固有的肌肉特征造成的:“如果腿部关节的伸肌被主动缩短以产生快速运动，那么不活跃的屈肌必然会被延长。”在拉伸过程中，屈肌会产生一种之前未知的动态被动力量，这种力量如此之大，以至于可以持续地将运动减速到功能上必须的水平。

在本研究中，作者将竹节虫腿的屈肌暴露于各种拉伸情境中，并测量了被动肌肉对不同拉伸时所施加的动力。然后，他们用这些结果来动态模拟腿部关节的功能。伸肌激活所产生的屈肌的被动动力能够产生与动物速度轮廓相对应的运动。这些结果相当令人惊讶，并且与普遍认为的四肢如何快速运动的观点相矛盾。Bueschges总结道:“我们很久以前就知道被动肌肉力量对于小肢体的运动是很重要的，但是我们没有想到它们的作用如此之大，以至于它们可以决定一个动作的速度轮廓。”这意味着活动的肌肉和它的对手必须完美地相互协调。我们正在更好地理解这种互动。