โครงกระดูกและคาน

สัตว์ทุกชนิดที่เดิน วิ่ง ว่ายน้ำ หรือบิน ล้วนเป็นเครื่องจักรที่สร้างจากชิ้นส่วนสามชนิด: กระดูก ที่ช่วยคงรูปร่าง ข้อต่อ ที่ทำให้เคลื่อนไหวเลี้ยวได้ และ กล้ามเนื้อ ที่สร้างแรง เมื่อนำทั้งหมดมาประกอบกัน ก็จะได้ชุดของ คาน เมื่อคุณมองแขนขาเป็นคานได้ ขาของเสือชีตาห์ อุ้งเท้าของตุ่น และแขนของคุณเองก็จะเริ่มเข้าใจได้มากขึ้น

กล้ามเนื้อทำได้แค่ดึงเท่านั้น กล้ามเนื้อจะสั้นลงเมื่อถูกสั่งให้ทำงาน และทำได้เพียงเท่านี้ มันดันไม่ได้ หากต้องการขยับข้อต่อไปได้ทั้งสองทิศทาง ร่างกายจะใช้ คู่กล้ามเนื้อที่ทำงานตรงข้ามกัน ซึ่งเป็นกล้ามเนื้อสองมัดที่อยู่คนละด้านของข้อต่อ บริเวณต้นแขนของคุณ กล้ามเนื้อไบเซปส์ จะงอข้อศอก ส่วน กล้ามเนื้อไตรเซปส์ จะเหยียดข้อศอกให้ตรง เมื่อมัดหนึ่งดึง อีกมัดก็จะคลายตัว

กล้ามเนื้อยึดติดกับกระดูกด้วย เอ็น ซึ่งเป็นเส้นใยที่เหนียวและแข็งแรง เมื่อกล้ามเนื้อหดสั้น มันจะดึงเอ็น เอ็นจะดึงกระดูก และกระดูกจะหมุนรอบข้อต่อ

กฎของคาน ผลของการหมุนเรียกว่า โมเมนต์ ซึ่งเท่ากับแรงคูณด้วยระยะทางตั้งฉากจากข้อต่อ แขนขาที่อยู่นิ่งจะมีโมเมนต์ที่เท่ากันและมีทิศตรงข้ามกัน:

F_muscle × d_muscle = F_load × d_load

การได้เปรียบเชิงกล คือ MA = d_muscle / d_load กล้ามเนื้อส่วนใหญ่มักยึดติดใกล้ข้อต่อมาก ดังนั้น d_muscle จึงมีค่าน้อย และ MA จึงน้อยกว่า 1 นั่นหมายความว่ากล้ามเนื้อต้องดึง แรงกว่า สิ่งของที่มันกำลังรับน้ำหนักอยู่

ตัวอย่างการคำนวณ (แบบง่าย) ถือถุงขนาด 2 kg ไว้ในมือ โดยให้ท่อนแขนอยู่ในแนวระดับ แรงจากน้ำหนักของถุงคือ 2 kg × 9.81 m/s² ≈ 19.6 N สมมติว่ากล้ามเนื้อไบเซปส์ดึงที่ระยะ 4 cm จากข้อศอก และถุงอยู่ห่างจากข้อศอก 32 cm ดังนั้น F_muscle = 19.6 N × 0.32 m / 0.04 m ≈ 157 N กล้ามเนื้อดึงด้วยแรงประมาณ แปดเท่า ของน้ำหนักถุง (เราไม่นับน้ำหนักของท่อนแขนเอง ดังนั้นในความเป็นจริงกล้ามเนื้อจะต้องดึงแรงกว่านี้เล็กน้อย)

สิ่งที่ต้องแลกและสิ่งที่ได้มา จุดยึดสั้น ๆ แบบเดียวกันที่ต้องแลกกับแรง จะช่วยให้ได้ อัตราเร็วและช่วงการเคลื่อนไหว เมื่อกล้ามเนื้อไบเซปส์หดสั้นลง 1 cm มือจะเคลื่อนที่ 8 cm มืออยู่ห่างจากข้อศอกมากกว่าเอ็นถึงแปดเท่า จึงกวาดไปได้ไกลเป็นแปดเท่า และเคลื่อนที่เร็วเป็นแปดเท่าในเวลาเท่ากัน

ดังนั้น สัตว์จึงต้องแลกข้อดีข้อหนึ่งกับอีกข้อหนึ่ง แขนขาที่มีแขนของกล้ามเนื้อสั้นและแขนของน้ำหนักยาวจะ เร็วแต่แรงน้อย ส่วนแขนขาที่มีแขนของกล้ามเนื้อยาวและแขนของน้ำหนักสั้นจะ ช้าแต่แรงมาก วิวัฒนาการจะปรับอัตราส่วนนี้ให้เหมาะกับหน้าที่:

• นักวิ่ง เช่น ม้าหรือกวาง มีขาส่วนล่างที่ยาวและเบา เท้าจะกวาดไปได้ไกลเมื่อกล้ามเนื้อหดสั้นลงเพียงเล็กน้อย จึงมีอัตราเร็วสูง
• นักขุด เช่น ตุ่นหรือตัวนิ่ม มีคานยาวสำหรับกล้ามเนื้อ (ส่วนกระดูกที่ยื่นยาวตรงข้อศอก ซึ่งเป็นจุดเกาะของกล้ามเนื้อไตรเซปส์ขนาดใหญ่) และมีกระดูกสั้นแข็งแรงในอุ้งเท้า จึงแลกช่วงการเคลื่อนไหวกับแรง

โครงสร้างเหมือนกัน แต่งานต่างกัน ลองดูภายในแขนมนุษย์ ปีกค้างคาว ครีบวาฬ และขาม้า ในแต่ละส่วนจะพบลำดับกระดูกเหมือนกัน คือกระดูกยาวหนึ่งชิ้นในส่วนต้นของแขนขา (กระดูกต้นแขน) กระดูกสองชิ้นในส่วนปลาย (กระดูกเรเดียส และ กระดูกอัลนา) กระดูกข้อมือชิ้นเล็ก ๆ และกระดูกสำหรับมือกับนิ้ว สิ่งนี้เรียกว่า แขนขาแบบห้านิ้ว ('ห้านิ้ว') รายละเอียดอาจต่างกัน เช่น ม้ามีนิ้วเท้ายาวเพียงนิ้วเดียว ค้างคาวมีนิ้วยาวมาก และนิ้วของวาฬอยู่ภายในครีบ นักชีววิทยาเรียกกระดูกที่มีต้นกำเนิดร่วมกัน ไม่ว่าจะทำหน้าที่อะไร ว่า โครงสร้างพ้องกำเนิด กระดูกเหล่านี้เป็นหลักฐานว่าสัตว์เหล่านี้สืบเชื้อสายมาจากบรรพบุรุษร่วมกัน

ระวังแนวคิดที่ดูคล้ายกัน ปีกนกและปีกแมลงทำหน้าที่เหมือนกัน แต่สร้างขึ้นจากส่วนประกอบที่แตกต่างกันโดยสิ้นเชิง ทั้งสองเป็น โครงสร้างแอนะล็อก ไม่ใช่โครงสร้างพ้องกำเนิด