骨格とてこ

歩いたり、走ったり、泳いだり、飛んだりする動物はすべて、3種類の部品からできた機械です。形を支える骨、動くことを可能にする関節、そして力を生み出す筋肉です。これらを組み合わせると、てこの仕組みになります。手足をてことして見ることができるようになると、チーターの脚、モグラの前足、そして自分の腕の仕組みが、すべてわかるようになります。

筋肉は引くことしかできません。 筋肉はスイッチが入ると短くなります。それが筋肉にできるすべてです。押すことはできません。関節を両方向に動かすために、体は拮抗筋の組を使います。関節の反対側にある2つの筋肉です。上腕では、上腕二頭筋がひじを曲げ、上腕三頭筋がひじを伸ばします。一方が引くと、もう一方はゆるみます。

筋肉は、丈夫な繊維のひもである腱によって骨につながっています。筋肉が縮むと腱を引っ張り、腱が骨を引っ張り、骨が関節を中心に回転します。

てこの法則。 回転させるはたらきはモーメントと呼ばれます。モーメントは、力に、関節から力の向きに垂直な距離を掛けたものです。静止している手足では、モーメントの大きさは等しく、向きは反対です。

F_muscle × d_muscle = F_load × d_load

機械的倍率は MA = d_muscle / d_load です。ほとんどの筋肉は関節のすぐ近くに付いているため、d_muscle は小さく、MAは1未満です。つまり、筋肉は支えている荷重よりも強く引かなければなりません。

計算例（簡略化）。 前腕を水平にして、手に2 kgのバッグを持ちます。荷重は2 kg × 9.81 m/s² ≈ 19.6 Nです。上腕二頭筋がひじから4 cmの位置で引き、バッグがひじから32 cmの位置にあるとします。このとき、F_muscle = 19.6 N × 0.32 m / 0.04 m ≈ 157 N です。筋肉はバッグの重さの約8倍の力で引きます（前腕そのものの重さは無視しているので、実際には筋肉はもう少し強く引きます）。

失うものと得るもの。 力を犠牲にする同じ短い取り付け位置によって、速さと動く範囲が得られます。上腕二頭筋が1 cm短くなると、手は8 cm動きます。手は、腱が付いている位置よりもひじから8倍遠いので、同じ時間に8倍遠くまで動き、速さも8倍になります。

このように、動物にはトレードオフがあります。筋肉側の腕が短く、荷重側の腕が長い手足は、速いけれど弱いものになります。筋肉側の腕が長く、荷重側の腕が短い手足は、遅いけれど強いものになります。進化は、役割に合わせてこの比を調整します。

• 走る動物であるウマやガゼルは、長くて軽い下腿を持っています。筋肉が少し縮むだけで、足先は長い距離を動きます。つまり、速さを得られます。
• 掘る動物であるモグラやアルマジロは、筋肉側のてこが長くなっています（大きな上腕三頭筋が付く、ひじの長い骨の突起です）。一方、前足の短くて太い骨を持っています。動く範囲を犠牲にして、力を得ているのです。

同じ設計、異なる役割。 人間の腕、コウモリの翼、クジラのひれ、馬の脚の中を見てみよう。どれにも同じ順番で骨が並んでいる。上部の肢には1本の長い骨（上腕骨）、下部には2本（橈骨と尺骨）、小さな手首の骨、そして手と指の骨がある。これが五指性の肢（「5本の指を持つ」）だ。細かな形はそれぞれ違う。馬には1本の長い指先があり、コウモリにはとても長い指があり、クジラの指はひれの中にある。生物学者は、役割が違っていても起源を共有する骨を相同構造と呼ぶ。これは、これらの動物が共通の祖先から進化した証拠だ。

見た目が似ている別の考えと混同しないようにしよう。鳥の翼と昆虫の翼は同じ役割をするけれど、まったく違う部分からできている。これらは相似であって、相同ではない。