Skjeletter og vektstenger

Alle dyr som går, løper, svømmer eller flyr, er maskiner bygget av tre typer deler: knokler som holder formen, ledd som lar dem snu, og muskler som gir kraften. Setter du dem sammen, får du et system av vektstenger. Når du kan lese et lem som en vektstang, begynner både beinet til en gepard, labben til en moldvarp og din egen arm å gi mening.

Muskler kan bare trekke. En muskel blir kortere når den aktiveres, og det er alt den kan gjøre. Den kan ikke skyve. For å bevege et ledd i begge retninger bruker kroppen antagonistpar: to muskler på hver sin side av et ledd. I overarmen bøyer biceps albuen, mens triceps strekker den ut. Når den ene trekker seg sammen, slapper den andre av.

En muskel er festet til en knokkel med en sene, en sterk snor av fibre. Når muskelen blir kortere, trekker den i senen, senen trekker i knokkelen, og knokkelen dreier rundt leddet.

Regelen for vektstenger. En dreievirkning kalles et moment: kraft multiplisert med den vinkelrette avstanden fra leddet. En kroppsdel som holdes i ro, har like store og motsatt rettede momenter:

F_muscle × d_muscle = F_load × d_load

Den mekaniske fordelen er MA = d_muscle / d_load. De fleste muskler fester seg svært nær leddet, så d_muscle er liten, og MA er mindre enn 1. Det betyr at muskelen må trekke hardere enn belastningen den holder.

Regneeksempel (forenklet). Hold en pose på 2 kg i hånden med underarmen vannrett. Belastningen er 2 kg × 9,81 m/s² ≈ 19,6 N. Anta at biceps trekker 4 cm fra albuen, og at posen er 32 cm fra albuen. Da blir F_muscle = 19.6 N × 0.32 m / 0.04 m ≈ 157 N. Muskelen trekker omtrent åtte ganger vekten av posen. (Vi så bort fra vekten av selve underarmen, så en ekte muskel trekker litt mer.)

Det du gir avkall på, og det du får. Det samme korte festet som koster kraft, gir fart og bevegelsesutslag. Når biceps forkortes med 1 cm, beveger hånden seg 8 cm. Hånden er åtte ganger lenger fra albuen enn senen er, så den beveger seg åtte ganger så langt og, på samme tid, åtte ganger så fort.

Dyr må derfor inngå et kompromiss. En kroppsdel med en kort muskelarm og en lang belastningsarm er rask, men svak. En kroppsdel med en lang muskelarm og en kort belastningsarm er langsom, men sterk. Evolusjonen tilpasser dette forholdstallet til oppgaven:

• En løper, for eksempel en hest eller en gaselle, har et langt og lett underbein. Foten beveger seg langt for hver lille forkortelse av muskelen: fart.
• En graver, for eksempel en moldvarp eller et beltedyr, har en lang vektstang for muskelen (en lang knokkelprojeksjon ved albuen, der den store triceps fester seg) og korte, kraftige knokler i labben. Den bytter bevegelsesutslag mot kraft.

Samme plan, ulike oppgaver. Se inni en menneskearm, en flaggermusvinge, en hvalfinne og et hestebein. I hver av dem finner du den samme rekkefølgen av knokler: én lang knokkel i den øvre delen av lemmet (den humerus), to i den nedre delen (radius og ulna), små håndleddsknokler og knokler for hånden og fingrene. Dette er det femfingrede lemmet («pentadaktylt lem»). Detaljene er forskjellige: Hesten har én lang tå, flaggermusen har svært lange fingre, og hvalens fingre ligger inni en finne. Biologer kaller knokler som har samme opphav, uansett hvilken oppgave de har, for homologe strukturer. De er evidens for at disse dyrene stammer fra en felles stamfar.

Vær forsiktig med en idé som ligner. En fuglevinge og en insektvinge gjør den samme jobben, men de er bygd av helt forskjellige deler. De er analoge, ikke homologe.