人体力学结构演化与行之患

薛定谔（Schrodinger）在《生命是什么》一书中提出大胆的猜想：复杂的生命现象在原则上可以由物理学原理来解释，基因是一种非周期性晶体，突变则是由基因分子中的量子跃迁引起的。受此书影响，在1953年，沃森（Watson）和克里克（Crick）共同发现了DNA双螺旋结构，实现了生命科学的重大突破，而此重大发现基于以下分子力学计算结果：鸟嘌呤（G）与胞嘧啶（C）互相吸引，腺嘌呤（A）与胸腺嘧啶（T）同样也是一对，它们的比例都为1∶1。除了基因组合和变异之外，生物演化的另一个重要动力是环境的变化。环境总是发生着或大或小的变化，为适应环境，生命体不得不随之进行不同程度的调整或者突变，优化自身结构以更好地适应环境是大自然最为常见的现象。

物理学是一种自然科学，注重研究物质、能量、空间、时间，尤其是它们各自的性质与彼此之间的相互关系。物理学是关于大自然规律的知识。更广义地说，物理学探索分析大自然所发生的现象，以了解其规则。其分支学科之一的牛顿力学（Newtonian Mechanics），以牛顿运动定律和万有引力定律为基础，研究速度远小于光速的宏观物体的运动规律。

在生物体的环境大到宇宙环境、地球环境，小到自身周边环境，这些环境中有无数个作用于生物体的因素，但有一种因素就是万有引力（Gravitation），它与强核力（Strong Nuclear Force）、弱核力（Weak Nuclear Force）、电磁力（Electromagnetic Force）合称宇宙四大基本力，它们创造着宇宙，也左右着宇宙的发生发展。在地球环境范围内，引力称为重力，它在生物出现及演化过程中，时刻影响并制约着生物体的形态演化及行为方式，因此，生物结构优化过程必须符合基本力学原理，无论是形态各异的树叶，还是千奇百怪的鱼鳍，抑或千变万化的动物形态，都是依据生物力学原理历经无数代的演化而形成的。人类的演化及个体的存在也无时无刻不被重力统治着，并成为生命的一部分。人类直立行走演化也应如此。

我们探索人类演化，必须将重力场作为大背景，尽管研究者们从各种角度提出了不同的理论，力图合理地解释人类直立行走这一奇特行为的演化，但直立行走是在重力场环境下的一种运动方式，这种重力场下的运动力学原理必然在其起源和演化过程中起了至关重要的作用，所以从重力场的力学角度来分析研究这个问题具有其独特的优势和合理性。

生物演化遵循“节能原理”。在动物进化过程中，其运动方式的能量节约和身体结构的力学平衡是非常重要的。人体弯腰屈膝时，膝关节、髋关节和腰椎处是远离力学平衡状态的，这就要求大量相关肌肉紧张来对抗不平衡力矩，从而消耗大量的能量来对抗重力，这是不可取的，重力无处不在。通过人体运动力学模拟软件Anybody比较分析正常站立与弯腰屈膝的人体模型肌肉力量以及关节反力，从模拟结果可以看出，人体长时间维持正常直立姿势是轻松的，由于直立位骨骼排列具有立木顶千斤的功能，维持这种直立肌肉群的整体工作强度比较小，不易疲劳，故感轻松。而人体长时间维持屈膝弯腰（类似于半直立）姿势则极为困难，因为这需要人体肌肉参与的范围大，整体工作强度大，极易疲劳及受损。实验分析出弯腰屈膝姿势，其腰椎处竖直方向的关节力增加了2倍左右，但腰椎处的肌肉力也由原来的几乎为零增加至817 N以上，膝关节处肌腱前后方向的拉力也达到了1135 N，这几乎都是高强度工作状态。因此，直立行走本身也是合理并节约能量的。(www.xing528.com)

自然界的共振现象也可以满足节能要求，由于动物的身体结构为多刚体连杆张拉整体结构，其运动方式遵循耦合共振（Coupled Resonance）原理，既能达到生存要求（如速度和耐力），也能满足节能要求。实现耦合共振原理，需要身体结构满足相应的比例要求，即对人体形态提出要求。因此，动物的形态演化适应环境的过程，必须遵循运动力学规律，否则难以生存。

不管环境如何，当动物各肢体的运动以及与其接触的物体之间形成某种耦合共振运动时，其运动将是高效率且富有节律的，这种形式的运动对神经系统要求最低，消耗的能量也最少。动物耦合共振运动最基本的要求是其肢体运动周期与身体和接触物体整体系统的固有振动周期必须尽量一致。动物身体和其接触物体本身具有固定运动频率，同时，动物又具备通过神经控制肌肉收缩来调整肢体动作频率的能力。地栖四足类动物前后肢长度几乎相等，显然可以使得其前后肢摆动周期一致。同样，耦合共振使树栖运动的灵长类动物前后肢的长度比例差异较大，猿类基本上是前肢长于后肢，而直立行走的人类的上下肢比例恰恰相反。

化石证据显示，直立行走起源比石制工具的出现早得多，并且化石形成时的环境被鉴定为茂密的树林而不是稀树草原。“由直立特征相似的长臂猿单臂悬挂和摆动行为直接演化而来”和“树枝上采用直立姿势以采摘食物”学说已经获得化石支持，认为古人类的直立姿势起源于树上。这种双臂振浪飞摆运动方式不仅符合耦合共振原理，实现高效节能效应，也使其身体结构具备更易向直立行走的现代人结构演化的潜能。同时，现代人满足直立行走的结构依然遵循耦合共振原理。动物成功的演化必然是从一种形式的耦合共振转变为另一种形式的耦合共振，即每一个生命个体的存在，必然是一个满足耦合共振的个体的存在。环境只能决定动物如何实现耦合共振的形式，但不能摆脱耦合共振原则。耦合共振制约着动物结构演化，决定着动物演化的成败。同样，动物个体的存活状态也受耦合共振制约，满足耦合共振则生存，反之死亡。耦合共振作用于动物的方式就是通过身体比例及空间结构布局的优选实现的。在地球重力场环境下，动物通过动势能转换实现运动，而保持系统能量低耗、高效运动减少能量耗损，就是通过耦合共振原理实现的。耦合共振是多体系统运动结构的物体实现低能耗高效运动的重要方式。