الهياكل العظمية والروافع

كل حيوان يمشي أو يركض أو يسبح أو يطير هو آلة تتكوّن من ثلاثة أنواع من الأجزاء: العظام التي تحافظ على شكله، والمفاصل التي تسمح له بالدوران، والعضلات التي توفر القوة. وعندما تجمع هذه الأجزاء معًا تحصل على مجموعة من الرافعات. وبمجرد أن تتعلم قراءة الطرف بوصفه رافعة، تبدأ ساق الفهد وكف الخلد وذراعك أنت في أن تصبح مفهومة.

العضلات لا تسحب إلا في اتجاه واحد. تقصر العضلة عندما تُنشَّط، وهذا كل ما تستطيع فعله. لا يمكنها الدفع. ولتحريك مفصل في الاتجاهين، يستخدم الجسم أزواجًا متضادة: عضلتان على جانبين متقابلين من المفصل. في ذراعك العلوي، تثني العضلة ذات الرأسين المرفق، وتُمدِّده العضلة ثلاثية الرؤوس. عندما تسحب إحداهما، ترتخي الأخرى.

ترتبط العضلة بالعظم بواسطة وتر، وهو حبل قوي من الألياف. عندما تقصر العضلة، تسحب الوتر، ويسحب الوتر العظم، ويدور العظم حول المفصل.

قاعدة الرافعة. يُسمّى تأثير الدوران العزم: القوة مضروبة في مسافتها العمودية عن المفصل. يكون للطرف الساكن عزمان متساويان ومتعاكسان:

F_muscle × d_muscle = F_load × d_load

تكون الفائدة الميكانيكية MA = d_muscle / d_load. ترتبط معظم العضلات بالقرب من المفصل، لذلك تكون d_muscle صغيرة، وتكون MA أقل من 1. وهذا يعني أن العضلة يجب أن تسحب بقوة أكبر من الحمل الذي تحمله.

مثال محلول (مبسّط). أمسك حقيبة كتلتها 2 kg بيدك، مع إبقاء ساعدك أفقيًا. يكون الحمل 2 kg × 9.81 m/s² ≈ 19.6 N. افترض أن العضلة ذات الرأسين تسحب من نقطة تبعد 4 cm عن المرفق، وأن الحقيبة تبعد 32 cm عن المرفق. عندئذٍ F_muscle = 19.6 N × 0.32 m / 0.04 m ≈ 157 N. تسحب العضلة بقوة تعادل تقريبًا ثمانية أضعاف وزن الحقيبة. (لقد تجاهلنا وزن الساعد نفسه، لذلك تسحب العضلة في الواقع بقوة أكبر قليلًا.)

ما تتخلى عنه وما تكسبه. إن موضع الارتباط القصير نفسه الذي يقلل القوة يمنحك السرعة والمدى. عندما تقصر العضلة ذات الرأسين بمقدار 1 cm، تتحرك اليد مسافة 8 cm. وتبعد اليد عن المرفق مسافة تعادل ثمانية أضعاف بُعد الوتر عنه، لذلك تقطع اليد مسافة تعادل ثمانية أضعاف المسافة، وفي الوقت نفسه تتحرك بسرعة تعادل ثمانية أضعاف السرعة.

لذلك تواجه الحيوانات مفاضلة. فالطرف ذو ذراع العضلة القصير وذراع الحمل الطويل يكون سريعًا لكنه ضعيف. أما الطرف ذو ذراع العضلة الطويل وذراع الحمل القصير فيكون بطيئًا لكنه قوي. وتضبط عملية التطور هذه النسبة لتناسب المهمة:

• يمتلك العدّاء، مثل الحصان أو الغزال، ساقًا سفلية طويلة وخفيفة. فتقطع القدم مسافة طويلة مقابل كل جزء من قِصر العضلة: سرعة.
• يمتلك الحيوان الحفّار، مثل الخلد أو المدرع، رافعة طويلة للعضلة (إسقاطًا عظميًا طويلًا عند المرفق، حيث ترتبط العضلة ثلاثية الرؤوس الكبيرة) وعظامًا قصيرة وقوية في الكف. وهو يضحي بالمدى من أجل القوة.

الخطة نفسها، والوظائف مختلفة. انظر إلى داخل ذراع الإنسان، وجناح الخفاش، وزعنفة الحوت، وساق الحصان. ستجد في كل منها التسلسل نفسه من العظام: عظمًا طويلًا واحدًا في الطرف العلوي (عظم العضد)، وعظمين في الطرف السفلي (الكعبرة والزند)، وعظامًا صغيرة للرسغ، وعظامًا لليد والأصابع. يُسمّى هذا الطرف خماسي الأصابع («ذو خمسة أصابع»). تختلف التفاصيل: للحصان إصبع طويل واحد، وللخفاش أصابع طويلة جدًا، أما أصابع الحوت فهي داخل زعنفة. يطلق علماء الأحياء على العظام التي تشترك في أصل واحد، مهما اختلفت وظيفتها، اسم التراكيب المتماثلة. وهي دليل على أن هذه الحيوانات تنحدر من سلف مشترك.

انتبه إلى فكرة تبدو مشابهة. فجناح الطائر وجناح الحشرة يؤديان الوظيفة نفسها، لكنهما مكوّنان من أجزاء مختلفة تمامًا. إنهما متشابهان وظيفيًا، وليسا متماثلين.