การเปลี่ยนแปลงทางโครงกระดูกของมนุษย์เนื่องจากการเดินด้วยสองเท้า

วิวัฒนาการของการเดินด้วยสองเท้า (bipedalism) ในมนุษย์เริ่มขึ้นเมื่อประมาณ 4 ล้านปีก่อน ซึ่งนำมาสู่การเปลี่ยนแปลงทางสัณฐานของโครงกระดูกมนุษย์ รวมทั้งโครงสร้างและขนาดของเท้า ขนาดและรูปร่างของสะโพก ความยาวของขา และรูปร่างและทิศทางของกระดูกสันหลัง มีทฤษฎีต่าง ๆ หลายอย่างเกี่ยวกับเหตุทางวิวัฒนาการต่าง ๆ ที่ทำให้เกิดความเปลี่ยนแปลงเหล่านี้

เท้า

เท้ามนุษย์ได้วิวัฒนาการมาเป็นโครงสร้างที่รับน้ำหนักกายทั้งหมด แทนที่จะเป็นอวัยวะใช้ในการจับ เช่นที่มีในบรรพบุรุษมนุษย์ยุคต้น ๆ ดังนั้น มนุษย์จึงมีนิ้วเท้าที่เล็กกว่าบรรพบุรุษที่เดินด้วยสองเท้า รวมทั้งนิ้วหัวแม่เท้าที่งอจรดกับนิ้วอื่นไม่ได้ (non-opposable) และเปลี่ยนเป็นยืดไปทางเดียวกันกับนิ้วอื่น ๆ นอกจากนั้นแล้ว เท้ามนุษย์ยังมีส่วนโค้ง (arch) แทนที่จะเป็นเท้าเรียบแบน เมื่อลิงใหญ่ที่ไม่ใช่มนุษย์เดินด้วยสองเท้า จะมีการสื่อน้ำหนักจากส้นเท้าไปตามขอบนอกของเท้า ไปยังนิ้วเท้ากลาง ในขณะที่เท้ามนุษย์มีการสื่อน้ำหนักจากส้นเท้าไปตามขอบนอกของเท้า ผ่านอุ้งเท้า ไปยังนิ้วหัวแม่เท้า การสื่อน้ำหนักเช่นนี้มีผลเป็นการประหยัดพลังงานในระหว่างการเดิน

สะโพก

ข้อต่อสะโพกของมนุษย์ปัจจุบันใหญ่กว่าในสปีชีส์บรรพบุรุษที่เดินด้วยสี่เท้า เพื่อที่จะรองรับอัตราส่วนน้ำหนักที่มากกว่า และตัวสะโพกเองก็สั้นกว่า กว้างกว่า ความเปลี่ยนแปลงทางรูปร่างเช่นนี้ทำให้กระดูกสันหลังใกล้เข้ามากับข้อต่อสะโพกยิ่งขึ้น กลายเป็นฐานที่มีเสถียรภาพเพื่อรองรับลำตัวเมื่อเดินตัวตรง นอกจากนั้นแล้ว เพราะการเดินด้วยสองเท้าทำให้จำเป็นที่จะต้องทรงตัวอยู่บนข้อต่อสะโพกซึ่งเป็นแบบเบ้า (ball and socket) ที่ค่อนข้างไม่มีเสถียรภาพ การมีกระดูกสันหลังใกล้กับข้อต่อทำให้สามารถใช้แรงกล้ามเนื้อน้อยลงในการทรงตัว การเปลี่ยนแปลงทางรูปร่างของสะโพกลดระดับองศาที่สามารถยืดขาออกไปได้ ซึ่งเป็นการปรับตัวที่ช่วยรักษาพลังงาน กระดูกปีกสะโพก (ilium) ก็สั้นลงและกว้างขึ้น และส่วนล้อมของกระดูกเชิงกรานก็เปลี่ยนไปหันเข้าข้าง ๆ ทั้งสองเป็นการเปลี่ยนแปลงที่เพิ่มบริเวณสำหรับยึดของกล้ามเนื้อสะโพก ซึ่งช่วยดำรงเสถียรภาพของลำตัวเมื่อยืนบนขาเดียว

เข่า

ข้อต่อหัวเข่ามนุษย์ก็ใหญ่ขึ้นโดยมีเหตุผลเดียวกันกับสะโพก ซึ่งก็คือเพื่อช่วยรับน้ำหนักในอัตราส่วนที่สูงขึ้น ระดับการยืดแข้ง (knee extension) คือองศาระหว่างต้นขากับหน้าแข้งในระหว่างการเดิน ก็ลดลง รูปแบบการยืดแข้งในการเดินของมนุษย์มีช่วงยืดแข้งท้ายสุด ที่ต้องอาศัยการทำงานของเข่าทั้งสองข้างที่เรียกว่า "double knee action" หรือว่า "obligatory terminal rotation" การทำงานเยี่ยงนี้ลดการสูญเสียพลังงานเนื่องจากการเคลื่อนขึ้นลงของศูนย์กลางมวล มนุษย์เดินโดยมีเข่าตรงและมีต้นขาที่โค้งเข้าไปจนกระทั่งเข่าเกือบจะอยู่ใต้ร่างกายตรง ๆ แทนที่จะออกไปอยู่ข้าง ๆ ดังที่พบในสัตว์บรรพบุรุษ ท่าทางการเดินเช่นนี้ช่วยในการทรงตัว

รยางค์ล่างและบน

การมีขายาวขึ้นเริ่มต้นตั้งแต่วิวัฒนาการมาเดินด้วยสองเท้า ได้เปลี่ยนการทำงานของกล้ามเนื้อขาในการยืน ในมนุษย์ แรงยันไปข้างหน้ามาจากกล้ามเนื้อขาโดยดันที่ข้อเท้า ขาที่ยาวกว่าทำให้สามารถเหวี่ยงขาไปได้อย่างธรรมชาติ ดังนั้น เมื่อกำลังเดิน เราจะไม่ต้องใช้กล้ามเนื้อในการเหวี่ยงเท้าไปข้างหน้าสำหรับก้าวต่อไป และเพราะไม่ต้องใช้รยางค์บนในการเดิน จึงสามารถใช้มือแขนในการหิ้ว ถือ และจับการควบคุมวัตถุในมือได้อย่างคล่องแคล่วแม่นยำ แล้วจึงมีผลทำให้แขนสั้นลงเทียบกับตัวโดยเปรียบเทียบกับเอป การมีขายาวและแขนสั้นช่วยให้สามารถเดินตัวตรงได้ เทียบกับลิงอุรังอุตังและชะนีซึ่งมีการปรับตัวให้มีแขนยาว เพื่อที่จะใช้โหนและเหวี่ยงตัวบนต้นไม้ได้ แม้ว่าเอปจะสามารถยืนด้วยสองเท้า แต่ก็ไม่สามารถยืนได้นาน ๆ เพราะว่า กระดูกต้นขาของเอปไม่ได้มีการปรับตัวเพื่อที่จะเดินด้วยสองเท้า คือเอปมีกระดูกต้นขาที่ตั้งตรง ในขณะที่มนุษย์มีกระดูกต้นขาที่โค้งเข้าไปด้านในจากสะโพกจนถึงเข่า ซึ่งเป็นการปรับตัวที่ทำให้เข่ามนุษย์ชิดกันมากขึ้น และอยู่ใต้ศูนย์กลางมวลของร่างกาย และช่วยให้มนุษย์สามารถล็อกหัวเข่าและยืนตรง ๆ ได้เป็นเวลานานโดยไม่ต้องใช้แรงจากกล้ามเนื้อมาก

กะโหลกศีรษะ

กะโหลกศีรษะของมนุษย์ตั้งอย่างสมดุลอยู่บนกระดูกสันหลัง ช่องที่ไขสันหลังออกจากกะโหลก (foramen magnum) อยู่ข้างใต้กะโหลก ซึ่งทำให้น้ำหนักของศีรษะเยื้องไปทางด้านหลังของกระดูกสันหลัง นอกจากนั้นแล้ว ใบหน้าที่แบนช่วยทำให้เกิดความสมดุลที่ปุ่มกระดูกท้ายทอย ดังนั้น หัวจึงตั้งตรงได้โดยไม่ต้องมีสันเหนือเบ้าตา (supraorbital ridge) ที่ใหญ่และมีกล้ามเนื้อยึดที่แข็งแรง ดังที่พบในเอป ผลที่เกิดก็คือ กล้ามเนื้อหน้าผากของมนุษย์ใช้เพียงเพื่อการแสดงออกของสีหน้าเท่านั้น (ไม่เหมือนกับเอปหรือบรรพบุรุษมนุษย์ที่ต้องใช้กล้ามเนื้อเดียวกันในการตั้งศีรษะให้ตรง)

กระดูกไขสันหลัง

กระดูกสันหลังของมนุษย์งอไปด้านหน้าข้างบน (lumbar region) และงอไปทางด้านหลังข้างล่าง (thoracic region) ถ้าไม่มีส่วนโค้งด้านบน กระดูกสันหลังก็จะต้องเอนไปข้างหน้าตลอดเวลา (เมื่อตัวตรง) ซึ่งต้องใช้แรงกล้ามเนื้อมากกว่าสำหรับสัตว์ที่เดินสองเท้า แต่เพราะว่ามีส่วนโค้งด้านบน มนุษย์ใช้แรงกล้ามเนื้อน้อยกว่าในการยืนและการเดินตัวตรง ทั้งส่วนโค้งด้านบนและส่วนโค้งด้านล่างช่วยทำให้ศูนย์กลางมวลของมนุษย์ตั้งอยู่เหนือเท้าโดยตรง นอกจากนั้นแล้ว การปรับร่างกายให้ตรงในช่วงการเดินจะมีน้อยกว่าซึ่งช่วยในการรักษาพลังงาน

ปัญหา

แม้ว่าจะมีการเปลี่ยนแปลงมากมายเช่นนี้ ก็ยังมีลักษณะโครงกระดูกมนุษย์ที่ปรับตัวได้ไม่ดีเพื่อการเดินด้วยสองเท้า ทำให้เกิดผลลบที่พบทั่วไปในมนุษย์ปัจจุบัน หลังส่วนล่างและข้อเข่ามีปัญหามากมายเกี่ยวกับกระดูก โดยที่ความปวดหลังส่วนล่างเป็นเหตุสำคัญของการทำงานไม่ได้ ซึ่งเป็นเพราะว่าข้อกระดูกต้องรองรับน้ำหนักมากกว่า มีหลักฐานว่าข้ออักเสบเป็นปัญหาที่เริ่มต้นตั้งแต่บรรพบุรุษมนุษย์เริ่มเดินด้วยสองเท้า คือ นักวิทยาศาสตร์ได้พบร่องรอยของโรคในข้อกระดูกสันหลังของกลุ่มมนุษย์ก่อนประวัติศาสตร์ นักวิชาการเชื่อว่า มีจุดจำกัดทางกายภาพที่ทำให้ไม่สามารถมีวิวัฒนาการเพิ่มขึ้นของข้อต่อเพื่อเพิ่มเสถียรภาพของอิริยาบถ และในขณะเดียวกันยังสามารถรักษาประสิทธิภาพของการเดินไว้ได้ด้วย