Skelett och hävarmar

Varje djur som går, springer, simmar eller flyger är en maskin som består av tre sorters delar: ben som håller formen, leder som gör att delarna kan vridas och muskler som ger kraften. Sätter man ihop dem får man ett system av hävstänger. När du kan se en kroppsdel som en hävstång börjar gepardens ben, mullvadens tass och din egen arm alla att bli begripliga.

Muskler kan bara dra. En muskel blir kortare när den aktiveras, och det är allt den kan göra. Den kan inte trycka. För att röra en led åt båda hållen använder kroppen motsatta muskelpar: två muskler på varsin sida av en led. I överarmen böjer biceps armbågen och triceps sträcker ut den. När den ena drar slappnar den andra av.

En muskel sitter fast i benet med en sena, en stark sträng av fibrer. När muskeln blir kortare drar den i senan, senan drar i benet och benet vrids runt leden.

Hävstångsregeln. En vridande effekt kallas ett moment: kraft multiplicerad med dess vinkelräta avstånd från leden. En kroppsdel som hålls stilla har lika stora och motsatt riktade moment:

F_muscle × d_muscle = F_load × d_load

Den mekaniska fördelen är MA = d_muscle / d_load. De flesta muskler fäster mycket nära leden, så d_muscle är litet och MA är mindre än 1. Det betyder att muskeln måste dra hårdare än belastningen den håller.

Genomarbetat exempel (förenklat). Håll en 2 kg tung väska i handen med underarmen vågrät. Belastningen är 2 kg × 9,81 m/s² ≈ 19,6 N. Anta att biceps drar 4 cm från armbågen och att väskan är 32 cm från armbågen. Då blir F_muscle = 19.6 N × 0.32 m / 0.04 m ≈ 157 N. Muskeln drar ungefär åtta gånger väskans tyngd. (Vi bortsåg från underarmens egen tyngd, så en riktig muskel drar lite mer.)

Det du förlorar och det du vinner. Samma korta fäste som kostar kraft ger hastighet och rörelseomfång. När biceps kortas med 1 cm rör sig handen 8 cm. Handen är åtta gånger längre från armbågen än senan är, så den rör sig åtta gånger så långt och, på samma tid, åtta gånger så snabbt.

Därför måste djur göra en avvägning. En kroppsdel med en kort muskelarm och en lång belastningsarm är snabb men svag. En kroppsdel med en lång muskelarm och en kort belastningsarm är långsam men stark. Evolutionen anpassar det här förhållandet efter uppgiften:

• En löpare, som en häst eller en gasell, har ett långt och lätt underben. Foten rör sig långt för varje liten förkortning av muskeln: hastighet.
• En grävare, som en mullvad eller ett bältdjur, har en lång hävstång för muskeln (ett långt benutskott vid armbågen, där den stora triceps fäster) och korta, kraftiga ben i tassen. Den byter rörelseomfång mot kraft.

Samma plan, olika uppgifter. Titta inuti en människas arm, en fladdermusvinge, en valfena och ett hästben. I var och en hittar du samma följd av ben: ett långt ben i den övre extremiteten ( humerus), två i den nedre (radius och ulna), små handledsben samt ben för handen och fingrarna. Detta är den pentadaktyla extremiteten (”femfingrad”). Detaljerna skiljer sig åt: hästen har en lång tå, fladdermusen har mycket långa fingrar och valens fingrar finns inuti en fena. Biologer kallar ben som har samma ursprung, oavsett vilken uppgift de har, för homologa strukturer. De är evidens för att dessa djur härstammar från en gemensam förfader.

Var försiktig med en liknande idé. En fågelvinge och en insektsvinge har samma uppgift, men de är byggda av helt olika delar. De är analoga, inte homologa.