Марафонец без шерсти, или Человек бегающий
В Древней Греции существовали особые гонцы, которых называли гемеродромами, что в переводе означает «бегущий целый день». Чтобы доставить важные вести, они могли преодолевать большие расстояния всего за несколько часов. Самым известным из этих гонцов был Фидиппид. В 490 году до н. э. полководец Мильтиад отправил его из Афин в Спарту, чтобы попросить о помощи в предстоящей битве против персов при Марафоне. Согласно легенде, Фидиппид пробежал расстояние в 246 километров менее чем за два дня. Поистине удивительный результат! Но почему же было не послать конного гонца? Ответ на этот вопрос просто поражает: потому что никакая лошадь так быстро не справилась бы с этой задачей. Первоклассные атлеты могут пробежать 100 километров за 6–7 часов, мировой рекорд по суточному бегу составляет 303 километра; существуют даже марафоны длиной в 5000 километров, которые нужно преодолеть за 52 дня![228] А вот на коротких дистанциях многие животные оказываются быстрее человека. Хищные кошки, лошади, антилопы, гиеновидные собаки и даже кенгуру с зайцами – вот лишь некоторые животные, которые бегают быстрее ямайского рекордсмена Усэйна Болта. Почему же сложилось так, что на коротких дистанциях по сравнению с другими животными человек медленный, как улитка, а на длительных забегах ему практически нет равных?
Вероятно, объяснение можно найти в том, как охотились наши предки. И по сей день бушмены в Намибии и индейцы племени тараумара в Мексике во время охоты устраивают травлю животного. Корни такой стратегии уходят далеко в доисторическое прошлое человека[229]. Главная идея заключается в том, что группа охотников гонит выбранную жертву – чаще всего газель или косулю – до тех пор, пока, израсходовав все свои силы, она не остановится или не упадет замертво из-за перегревания организма. Такая охота, как правило, может длиться часами и нередко завершается успехом. Столь изощренными стратегиями пользуются только гиеновидные собаки и волки. Поэтому нет ничего удивительного в том, что человек предположительно уже более 30 000 лет назад впервые приручил волков и вместе с ними отправился на охоту за такими крупными животными эпохи ледникового периода, как мамонты и зубры[230]. Однако сам по себе такой вид охоты значительно древнее. Вот уже на протяжении нескольких десятилетий американский антрополог Дэниел Либерман пытается понять, какие анатомические и физиологические особенности делают из человека идеального бегуна. В рамках своей гипотезы он связывает это умение с нашей эволюцией[231]. По его мнению, процесс развития от предлюдей к доисторическим людям и в конце концов к человеку разумному шел параллельно развитию беговых навыков. Но в этой связи необходимо учитывать, что наши древние предки смогли пробегать большие расстояния спустя много времени после появления прямохождения и для этого потребовался целый ряд других, самостоятельных шагов в развитии. Так в чем же заключается различие между простой ходьбой на двух ногах и бегом?
Как остановить падение вперед
Ходьба сама по себе является настоящим биомеханическим чудом. Принцип ее действия напоминает обратный маятник, потому что центр тяжести тела у нас расположен выше ног. Чтобы сделать шаг, мы должны нарушить равновесие, которое придает нашему телу положение стоя, и слегка наклониться вперед и в сторону. Однако мы бы сразу же упали, если бы равновесие не восстанавливалось благодаря попеременному сгибанию и разгибанию колен. Только так можно полностью перемещать тяжесть тела сначала на одну ногу, а потом на другую. При этом само движение осуществляется главным образом благодаря ступням: они перекатываются по поверхности земли, и большие пальцы толкают тело вперед. Уже для ходьбы необходимо искусно сохранять равновесие тела, однако поверхность стопы сравнительно мала по отношению к нагрузке, которая на нее приходится. При беге человек на короткое время отталкивается от земли и оказывается в воздухе, а затем нашему организму необходимо смягчить силу удара при приземлении. Кроме того, когда мы бежим, центр тяжести тела располагается перед ногами. При каждом отталкивании в мышцах и сухожилиях ног сохраняется энергия, и они натягиваются, как пружины. Когда же при совершении обратного движения они расслабляются, эта энергия высвобождается и устремляет нас вперед.
Проще говоря, бег представляет собой постоянное падение вперед, которое мы то и дело останавливаем. Как ни удивительно, на более высоких скоростях такой способ передвижения с точки зрения энергозатрат является более эффективным по сравнению с принципом маятника, который лежит в основе обычной ходьбы и при котором связки и сухожилия играют лишь второстепенную роль.
В процессе эволюции этот своеобразный способ передвижения усовершенствовался благодаря многочисленным изменениям, которым подверглось строение нашего тела. При этом было достигнуто идеальное и слаженное взаимодействие различных частей и функций нашего организма. Так, мы можем лучше сохранять равновесие и обладаем специальными особенностями в устройстве скелета, теплорегуляции и системе накопления энергии, которые делают из нас прекрасных бегунов.
При более подробном рассмотрении становится очевидным, насколько важную роль сыграли эти особенности в процессе человеческой эволюции. Давайте начнем с головы. Уже для развития прямохождения было необходимо, чтобы место крепления позвоночника к черепу – большое затылочное отверстие – переместилось с затылка к основанию черепа. Это коренное преобразование было необходимым условием для того, чтобы наши предки вообще смогли передвигаться на двух ногах и смотреть вперед, держа голову над позвоночником. Однако одной этой особенности недостаточно, чтобы при беге держать голову перед телом, не прилагая для этого больших усилий. Поэтому у человека к тому же появилась крепкая затылочная связка, которая прикрепляется к массивному костяному наросту на затылке и достигает самого нижнего шейного позвонка. У шимпанзе и предлюдей такой затылочной связки нет. А вот у таких доисторических людей, как человек прямоходящий и неандерталец, она была развита даже еще лучше, чем у нас. Подобное стабильное соединение между головой, шеей и верхней частью тела, а также свободное положение плеч, которые двигаются в такт прочим движениям, являются необходимым условием для сохранения равновесия при беге. У современных человекообразных обезьян, напротив, верхняя часть туловища плотно соединяется с плечевым поясом. Эта особенность, в свою очередь, облегчает лазание по деревьям, но при беге была бы лишь помехой.
Кроме того, у нас есть крупная и мощная ягодичная мышца, благодаря которой при беге мы можем переносить центр тяжести тела вперед, не теряя равновесия. Она в какой-то степени играет роль противовеса, когда верхняя часть туловища принимает наклонное положение. У человека ягодичная мышца является самой крупной, а вот у человекообразных обезьян она, напротив, сравнительно маленькая. Помимо этого, человек отличается наличием особенно мощной крестцово-остистой мышцы, которая соединяет верхнюю часть туловища и таз. Если взглянуть на скелет, это будет заметно по крупным сухожилиям, присоединяющим данную мышцу к копчику и тазовой кости.
Строение нашей грудной клетки также идеально подходит для бега на большие расстояния. У четвероногих животных толчки при беге смягчаются в том числе и грудной клеткой, из-за чего она попеременно сужается по бокам и затем снова расширяется. Поэтому животные делают один вдох на шаг и вынуждены координировать частоту дыхания и шагов. Как результат, при любом виде бега они достигают определенной скорости, позволяющей им максимально эффективно расходовать энергию. Поэтому четвероногие животные часто не могут плавно менять скорость бега, а резко переходят с одной на другую. Так, лошадь, идущая рысью, резко срывается на галоп. У человека же, напротив, столь тесной взаимосвязи частоты дыхания и шага нет, потому что грудная клетка при передвижении не задействована. Поэтому мы можем плавно менять скорость бега.
А сейчас давайте взглянем на нижнюю часть нашего тела, ведь ноги у нас также идеально приспособлены для продолжительного бега. Особенно большая нагрузка при этом приходится на коленный сустав, ведь при каждом шаге ему необходимо выдерживать массу, в три и даже четыре раза превышающую массу нашего тела. Поэтому нет ничего удивительного в том, что площадь сустава между бедром и голенью стала значительно больше, что позволяет лучше распределять такое действие силы. Если просто ходить на двух ногах, то можно обойтись и без этой особенности, поэтому у предлюдей ее еще не было.
Наша способность быстро и долго бегать связана также с соотношением длины ног и массы тела. Так, в ходе эволюции бедро у нас значительно вытянулось, в то время как туловище и руки становились короче, чтобы сократить общую массу. Ни у одного вида обезьян нет таких длинных ног, как у человека, даже у лангуров, которые благодаря своим длинным нижним конечностям прыгают с ветки на ветку, часто покрывая при этом большие расстояния. Кроме того, нашей удивительной способностью к бегу мы не в последнюю очередь обязаны полностью сформированному, эластичному своду стопы, который значительно улучшает передачу энергии [Kraftübertragung]. Для простой ходьбы на двух ногах достаточно и менее развитого свода стопы, как, например, у Люси – предчеловека вида австралопитек афарский. Однако ввиду того, что при беге на стопу действует очень большая сила, плюсневая кость у человека имеет достаточно компактную форму.
В процессе человеческой эволюции эта особенность впервые появляется у представителей рода людей. Однако устойчивую опору при беге нам обеспечивает не только свод стопы: наша ступня особенно эффективно перекатывается по поверхности благодаря тому, что боковые пальцы на ней сравнительно маленьких размеров. Если бы они были длиннее, то эффект рычага, толкающий нас вперед, был бы более сильным, но за такое преимущество пришлось бы заплатить равновесием тела[232]. Очевидно, в данном вопросе эволюция сделала выбор в пользу безопасности. Среди прочего это, наверное, объясняется тем, что при падении на большой скорости вероятность получить травму очень велика.
А сейчас давайте взглянем на самое мощное сухожилие человека, ахиллово сухожилие, которое также играет очень важную роль при беге. Благодаря тому, что длина пятки у человека в ходе эволюции уменьшилась, это сухожилие натягивается сильнее и, действуя по принципу тетивы, приводит кости в движение с большей силой, чем у человекообразных обезьян и предлюдей. У современного человека разумного пяточная кость даже короче, чем у его близкого родственника неандертальца. Это свидетельствует о том, что уже с самого начала мы были более приспособлены к продолжительному бегу[233].
Однако способствующие этому изменения происходили не только в нашем опорно-двигательном аппарате. Более совершенным стало у нас и чувство равновесия. Если заглянуть во внутреннее ухо человека, то будет видно, что полукружные каналы в нем значительно шире, чем у человекообразных обезьян и предлюдей. А они являются очень важной частью вестибулярного аппарата и фиксируют изменения положения тела в пространстве, а также переход с одной скорости движения на другую. Благодаря этому мы можем лучше сохранять равновесие при беге на высокой скорости.
Выносливые охотники
Однако как обстоит дело с особенностями, эволюционное развитие которых мы можем проследить лишь с большими ограничениями или вовсе не в состоянии воссоздать на основании ископаемых останков и следов? В таком случае единственное, что остается, это проводить сравнение с нами самими, отталкиваясь от предположения, что наши предки обладали схожими физиологическими признаками, раз строение их тела практически не отличалось от нашего. Например, нам неизвестно, как именно функционировали глаза наших древних предков, однако наши собственные глазные мышцы позволяют совершать очень быстрые движения, благодаря чему, даже передвигаясь на высокой скорости, мы получаем четкое изображение при «короткой выдержке». Детальную и равномерную картинку при беге нам обеспечивает также вестибулярный аппарат, расположенный во внутреннем ухе. Это достигается благодаря тесной связи, существующей между этим органом, глазами и ощущением тела. Как результат, изображение, получаемое из окружающего мира, не трясется из стороны в сторону, как неаккуратно сделанная запись с видеокамеры. Картинка остается устойчивой и ровной, даже когда мы бежим, качаем головой или едем на внедорожнике по ухабистой местности. В качестве стабилизирующего элемента выступает так называемый «вестибулоокулярный рефлекс», за который отвечает ствол головного мозга. Благодаря этому рефлексу движение глазных мышц координируется в соответствии с данными, поступающими из полукружных каналов внутреннего уха. Каждое движение головы и тела сопровождается рефлекторным смещением глаз на соответствующее расстояние в противоположном направлении. На реализацию этого рефлекса уходит максимум 8 миллисекунд, что делает его самым быстрым рефлексом центральной нервной системы[234]. Эти особенности помогают нам хорошо ориентироваться в пространстве даже на бегу. Вполне вероятно, что они присутствовали и у наших древних предков, давая им немалое преимущество во время охоты.
Таким же образом обстоит дело и с нашей уникальной способностью защищать организм от перегревания. Современный человек обладает одной из самых эффективных внутрительных «систем климат-контроля», которые когда-либо изобретала природа в процессе эволюции. По всей поверхности нашего тела распределено более четырех миллионов потовых желез. Через них, когда мы подвергаемся высоким нагрузкам или испытываем жару, выводится большое количество влаги, которая, испаряясь, охлаждает организм снаружи. Конечно, выделять пот могут и многие другие млекопитающие, но по сравнению с человеком они часто обладают лишь небольшим количеством потовых желез и, кроме того, покрыты греющей тело шерстью. Поэтому для эффективного охлаждения организма им нужно часто дышать, высунув язык, выпускать излишек тепла через большие уши, обваливаться в грязи или заходить в воду. Так что продолжительный бег на длинные расстояния для животных часто смертельно опасен. Именно этой особенностью и пользуются люди на протяжении вот уже миллионов лет, когда травят зверей во время охоты. Ведь если мы будем потреблять достаточно воды, чтобы компенсировать количество жидкости и минералов, которое выходит из организма вместе с потом, то мы даже в жаркую погоду сможем бежать часами.
Вероятно, это объясняется еще и тем, что мы сохраняем энергию не так, как многие животные. Если им на короткое время нужно использовать накопленную энергию, они применяют для этого главным образом гликоген – своего рода сахар, который откладывается в печени и мышцах. Таким образом животные могут, например, убежать в считаные доли секунды, когда на них нападает хищник. Однако запасы гликогена быстро иссякают, поэтому большие расстояния могут пробегать только те, кто использует также свои жировые резервы. А как раз их у многих животных нет, особенно у представителей видов, обитающих в жарких регионах. Люди же, напротив, до сих пор пользуются преимуществами уже описанного ранее генного преобразования, в результате которого наши древние предки лишились фермента под названием уриказа. Впервые эта мутация появилась у человекообразных обезьян, обитавших в Европе 15 миллионов лет назад, а потом передавалась всем представителям человеческой эволюционной линии. Благодаря ей в крови повысилось содержание мочевой кислоты, способствующей более быстрому преобразованию фруктозы в жир.
Одним словом, человек просто создан для длительного бега: у него нет шерсти, строение его тела превосходно подходит для того, чтобы преодолевать большие расстояния, он снабжен лучшим механизмом охлаждения организма, какого нет ни у одного другого животного, и с физиологической точки зрения наиболее эффективно использует свою энергию. Все эти особенности делают из него идеального охотника, который при должной физической подготовке выносливостью превзойдет практически любое животное. Если взглянуть на ископаемые останки наших древних предков, то можно увидеть, что впервые все эти признаки появляются у представителей рода людей, то есть уже намного позже того момента, когда предлюди встали на задние конечности и начали ходить на двух ногах. Таким образом, этот шаг в развитии представляет собой отдельную, очень важную главу нашей эволюции. Первым видом людей, о ком мы можем с уверенностью сказать, что он был способен к продолжительному бегу, является человек грузинский. Его возраст составляет 1,8 миллиона лет, и найден он был на Кавказе, возле города Дманиси.