Foot- ‏ پا‏

By: Gemma Tarlach- Discover Magazine

When Apollo 11 touched down on the moon, could Neil Armstrong have made a “giant leap” if we’d never evolved feet? “One small slither for man” just doesn’t have the same ring to it. In truth, our feet have enabled one of our most impressive, ah, feats. With its big heel bone, short toes and long, still arch, the human foot is a defining trail of our genus because it enabled efficient bipedalism: locomotion on two legs. Being bipedal made humans great long-distance walkers and runners while freeing our upper limbs to make and use tools, including weapons. You could say it was a giant leap on the way to becoming Earth’s dominant animals, for better or worse.

Already fully bipedal ancestors such as Homo erectus walked out of Africa and across the Old World, reaching East Asia by at least 1.6 million years ago, but researchers still aren’t sure how far back our fancy feet evolved. Australopith Lucy, a 3.2 million-year old potential predecessor, appeared to be fully bipedal. However, in 2018, paleoanthropologists found that a juvenile fossil foot from the same species was much closer to that of climbing apes. Of course, feet go much further back in evolution. Diverse and unrelated organisms share remarkably similar genetic pathways of development for their species-specific limbs. The near-universal distribution of these gene clusters among animals, from wombat to wasps, humans to halibut, suggests they arose in a common ancestor more than 500 million year ago. But the very first “foot” may have belonged to a mollusk. They’ve been around for about 540 million years, and many species have muscular undersides, also called feet, that allow them to move via contractions. The tentacles of squids and arms of octopuses, both mollusks, evolved from these muscular “feet”.

Among terrestrial vertebrates, feet are far more uniform. We all inherited the same basic suite of foot bones from the first four-limbed vertebrates, or tetrapods, to leave the sees for dry land more than 350 million years ago. The shape and position of those bones diversified, sometimes dramatically, as different foot postures evolved, such as plantigrade (entire foot on ground like humans and mice), digitigrade (only toe on ground, like cats and dogs) and unguligrade (hooved toes on ground, like horses and giraffes).

We’re still sorting out how feet work- and sometimes don’t. Stress fractures in the lower legs, a common running injury, are typically blamed on pounding the pavement. A study published in PLOS One in January, however, suggested the real culprit is not the force of a runner’s foot hitting the ground. Instead, it’s the strain that contracting muscles put on the lower leg bone as they pull away from it later in the stride. Though preliminary, the team believes the results may lead to better monitoring and training for athletes at risk.

Many insects, spiders, lizards and amphibians pull off athletic, even acrobatic moves by climbing vertical and inverted surfaces, thanks to a variety of adaptations to their feet. The bottoms of gecko toes, for example, are covered with super-flexible, microscopic hairs that grow at oblique, or non-perpendicular, angles. The hair’s teensy scale creates electromagnetic attraction to the wall or ceiling surface, but their angle and flexibility allow the gecko to easily unstick its feet as it moves. Other gravity-defying animals, including many invertebrates, have wet feet, which scientists thought helped them adhere to flat surfaces. But a study of stick insects found that secreting liquid from foot pads has nothing to do with, well, sticking. Instead, the liquid seems to act as act a lubricant that helps the insects unstick their feet as they move across a surface. The findings could prove significant in robotics design.

Whether robotic or nature-made, feet will continue to evolve. Except for the International Foot. On July 1, 1959, for the first time, the U.S. and several other countries standardized the yard (0.6011 meters, if you’re curious). Because there are 3 feet in a yard, the formal decree filtered down to the smaller unit of measurement, and the International Foot became exactly 0.3048 meters. As a result, a foot got slightly longer in the U.K. and slightly shorter here. Our pre-1959 foot, 0.3048006096 meters in length and now known as a U.S. survey foot, still shows up on some older maps and other geospatial systems-but not Apollo 11’s guidance computer, which was calculated in metric.

اگر انسانها پا نداشتند، وقتیکه آپولو ۱۱ روی کره ماه نشست، آیا نیل آرمسترانگ میتوانست بگوید “یک جهش قول آسا”؟ اگر میگفت “یک سریدن کوچک بشر” به نظر جمله نامطلوبی میامد [جمله نیل آرمسترانگ این بود “یک قدم کوتاه برای بشر، یک جهش قول آسا برای بشریت”.] در واقع، پاهای ما فعالیتهای درخشنده‌ای انجام میدهند. با استخوانهای بزرگ پاشنه و انگشتهای کوچک و قوس بلند کف پاست که ما میتوانیم روی دو پا راه برویم، و ما را قادر به حرکت متناسب با هر دو پا در یک زمان می‌کند. روی دو پا راه رفتن بسیار سودمند است، چنانکه ما توانستیم راه طولانی‌ برویم و بدویم و از قسمت فوقانی بدن برای فعالیتهای دیگر از جمله ساختن ابزار با دست، مثلا ساختن سلاح برای شکار، استفاده کنیم. میشود گفت که این خود یک جهش قول آسا بود که ما را قادر ساخت که  برترین موجود روی کره زمین شویم. ‏

با اینکه هنوز دانشمندان کشف نکرده‌اند که چه زمانی‌ پاهای ما به اینصورت شکل گرفتند، ولی‌ به همین دلیلِ با دو پا راه رفتن بود که ۶/۱میلیون سال پیش اجداد ما “هومو اِرِکتوس” توانستند از آفریقا به شرق آسیا کوچ کنند.  “آسترالوپیت لوسی” حدود ۲/۳ میلیون سال پیش روی دو پا راه میرفت. تاریخ تحول پا البته بسیار دورتر از این است. در سال ۲۰۱۸، باستان‌شناسان پای فسیل شده‌ای از همین نسل را یافتند که به میمون‌سانانِ درختی بیشتر شباهت داشت. البته تاریخچه پا تاریخ تحول پیشینه‌تری دارد. موجودات متنوع و غیر ارتباط ممکن است تاریخ تکامل مشابهی را در مورد اعضائی که منحصر به خود است داشته باشند. تشابه تقریبا همسان درپیشرفت و تحول این ژنها، از وامبت (حیوان کوچکی بین  خرس و خوک) گرفته تا زنبور و از انسان گرفته تا ماهی،  نشان میدهد که اجداد ۵۰۰ میلیون سال پیش همهٔ ما یکی‌  بوده است. ولی‌ اولین پا شاید متعلق به یک مولاسک (جانوری شبیه حلزون) بوده باشد. این موجودات حدود ۵۴۰ میلیون سال عمر دارند و دارای تنوع گونه‌ایِ بیشماری میباشند، و پاره‌ای از آنها زائدهٔ   عضلانی در زیر بدن دارند که میتوانند با آنها حرکت کنند، و البته این زائدهٔ پا نامیده میشود. از آن جمله همچنین می‌توان شاخه‌های عضلانی کاچوها (ماهی‌ مرکب) و یا پاهای اختاپوس را نام برد.

پاهای مهره‌داران زمینی شباهت بیشتری به یکدیگر دارند. همه ما همان استخوان اندامی مهره‌دارانی را داریم (تِتراپادز) که  ۳۵۰ میلیون سال پیش از آب وارد خشکی شدند. البته شکل و محل آنها در مسیر تکامل تغییر کرد، که تقسیم میشوند به پلنتیگرید (کف‌رو)، که تمام کف پا روی زمین قرار می‌گیرد مانند انسان و موش، دیجیتیگرید (انگشت‌رو)، که روی انگشت راه میروند مانند گربه و سگ، و یا اونگولیگرید (سُم‌دار)، که روی ناخن‌هایشان که همان سم باشد راه میروند، مانند اسب و زرافه.

ما هنوز در حال مطالعه این هستیم که پاها  چگونه کار میکنند. گاهی فشاری که در راه رفتن به  قسمت پائین پا وارد میشود، باعث شکستگی میشود، که به آن فشار روی سنگفرش می‌گویند. مطالعاتی که نتیجه آن در ماه ژانویه در مجله “پلاس وان” چاپ شده دلیل آنرا اصابت پای دونده روی سنگفرش نمیداند. در حقیقت دلیل اصلی‌ را فشاری میداند که عضلات در هر گامی‌ بر روی استخوان قسمت پائین ساق پا میگذراند. گرچه این مطالعات جدید  میباشند، ولی‌ امید آن میرود که با مطالعه بیشتر در این امر بتوان در نظارت و آموزش ورزشکاران در بالا بردن قدرت پاهایشان به آنها یاری رساند.

بسیاری از حشرات، و همچنین عنکبوت، مارمولک و  دوزیستیان، به دلیل تغییرات تکاملی در پاهایشان میتوانند حرکاتی‌ بکنند که به نظر ما اکروباتیک میاید. مثلا میتوانند بطور عمودی و یا بطور معکوس در مسیری راه بروند. در پاهای مارمولک خانگی (گِکو) موهائی بطور غیر عمودی و مورب میرویند که بسیار ریز و میکروسکوپی  هستند، و قابلیت ارتجاعی دارند. به دلیل‎ ‎خاصیت الکترومغناطیسی، این  موها به مارمولک اجازه میدهند که روی دیوار یا سقف به راحتی‌ راه برود، و مورب بودن موها جدا کردن پا را از سطحی که روی آن راه میرود آسان میسازد. بسیاری از نرم‌تنان پاهای نم‌دار دارند که دانشمندان بر این باور بودند که این نمناکی به منظور قابلیت چسبندگی پاهایشان روی سطوح است. ولی‌ مطالعه بیشتر نشان داد که این خیس یا نمناک بودن ربطی‌ به خاصیت چسبندگی ندارد،  بلکه برعکس به منظور یک روان‌سازنده بکار میروند تا حشره بتواند پای خود را از سطح جدا کند. این کشف در طرح‌ریزی روباتها بسیار مورد استفاده قرار می‌گیرد.

چه به منظور طرح‌ریزی روباتها باشد و یا استفاده در طبیعت، تکامل پا همچنان ادامه خواهد داشت. البته بجز واحد بین‌المللی اندازه‌گیری پا (فوت). برای اولین بار در اول ژوئیه سال ۱۹۵۹، آمریکا و چند کشور دیگر اندازه دقیق یارد (واحد اندازه‌گیری) را استاندارد کردند (که البته ۶۰۱۱/۰ متر می‌باشد). چون هر یارد به  اندازه سه پا (سه فوت) است، در این صورت می‌توان آنرا به واحد کوچکتر تبدیل کرد، یعنی‌ هر پا مطابق ۳۰۴۸/۰ میشود. در نتیجه یک پا در انگلستان کمی‌ بزرگتر از یک پا در آمریکا می‌باشد! قبل از سال ۱۹۵۹، پای ما ۳۰۴۸۰۰۶۰۹۶/۰ متر بود، که اکنون به آن پای برآورد آمریکائی میگویند، و این پا هنوز هم در بعضی‌ از نقشه‌های قدیمی‌ دیده میشود- اما نه در سیستم هدایت کامپوتری آپولو ۱۱ که البته متریک بود.