Задняя нога млекопитающего, напротив, не должна играть роль амортизатора. Ее функция состоит в том, чтобы добавлять кинетическую энергию. Поэтому верхний конец бедренной кости непосредственно входит в вертлужную впадину и удерживается там сухожилиями и связками. Прямое сочленение прочнее, и для передних конечностей оно тоже было бы более предпочтительным, если бы перед ними не стояла важная задача поглощения энергии. Спортсмены знают о недостатках непрямого прикрепления. У них часто случается вывих плечевого сустава вследствие разрыва мышц, удерживающих плечевую кость. Но прямое сочленение амортизирующей конечности принесло бы еще большие неудобства.
Чтобы понять это, вам достаточно спрыгнуть на всю ступню, не сгибая ног, с высоты около 30 сантиметров. Прямое причленение бедренной кости к тазу и выпрямленное колено полностью исключают возможность плавного поглощения энергии.
Рассмотрев эту модель типичного четвероногого млекопитающего — с торчащими вниз конечностями, из которых задние повернуты вперед, а передние назад, задние присоединяются прямо к скелету, а передние через посредство мышц, — легко будет понять, почему при переходе к двуногому хождению она становится менее эффективной. Лучше всего это можно продемонстрировать, рассмотрев разложение сил при беге. Если большая часть энергии расходуется на поступательное движение, а меньшая — на поддержание тела над землей, то тело будет перемещаться с большой скоростью. Если же энергия тратится в основном на поддержание тела, то высокая скорость невозможна. В этом и состоит недостаток двуногого хождения — слишком много энергии идет на то, чтобы тело не падало на землю.
В качестве примера рассмотрим идущего человека. В середине шага, когда одна нога опирается на землю, а другая выброшена вперед и висит в воздухе, тело продолжает двигаться вперед по инерции после предыдущего шага. К оставшейся кинетической энергии добавляется новая ее порция, когда человек выпрямляет ногу в колене и лодыжке, тем самым удлиняет ее и толкает тело вперед. В результате тело теряет равновесие, и другая нога, висящая в воздухе, должна быть опущена на землю для опоры. Это движение в значительной части гасит поступательную скорость. Действие сил, направленных вперед и вверх, можно представить в виде векторов, один из которых будет отображать истинное поступательное движение человека или его скорость (см. рис. на с. 232–233).
Чтобы увеличить скорость, чело век может наклониться вперед, усилив одну составляющую движения за счет другой. Правда, при этом возникнет опасность падения, так как сила, поддерживающая тело, уменьшится. Поэтому человек, чтобы не упасть, вынужден будет чаще прикладывать эту силу — быстрее работать ногами. Это и есть бег. В самом начале человек может сильно наклониться вперед (как спринтер во время старта), но когда ноги его начинают работать с предельной для него быстротой, он принимает почти вертикальное положение. Он может увеличить скорость, больше наклонившись вперед, но если его ноги не в состоянии двигаться быстрее, он просто упадет на землю. Этим нередко пользуются спринтеры в самом конце дистанции. Они с силой швыряют себя вперед и часто падают после пересечения финишной черты.
Во время ходьбы человек расходует больше усилий на поддержание тела (АВ), чем на его перемещение вперед (AD). Сумму этих двух сил можно изобразить вектором АС (косая линия). Истинная скорость человека пропорциональна горизонтальной проекции этого вектора (АЕ). Во время бега человек наклоняется вперед и начинает быстрее работать ногами. Теперь на поддержание вертикального положения тела расходуется меньшая доля усилий и соответственно большая доля тратится на поступательное движение. Результирующий вектор сильнее наклоняется в направлении движения, и расстояние АЕ, т. е. скорость, увеличивается.
На примере гепарда можно показать, что при малых затратах энергии на движение, направленное вверх, и больших затратах на движение вперед скорость резко возрастает, в данном случае до 110 км/ч. Галапагосская черепаха, напротив, расходует почти всю энергию на поддержание огромного панциря. Ее максимальная скорость не превышает полутора километров в час.
Четвероногое животное не знает этой трудности. Его тело настолько наклонено вперед, что располагается параллельно земле. Большая часть энергии, доставляемой задними ногами, идет на поступательное движение, и лишь незначительную часть ее приходится гасить с помощью передних ног, чтобы поддерживать тело над землей. Передние ноги уже находятся впереди и готовы взять на себя функцию опоры во время кратковременного приземления животного, пока задние конечности поджимаются для очередного толчка. Среди четвероногих наиболее приспособленная «машина для бега» — это гепард. У него длинные ноги и длинный, очень гибкий позвоночник. Когда животное начинает свой прыжок, спина у него согнута. Одновременно с мощным толчком выпрямляющихся задних лап разгибается позвоночник, и гепард летит как стрела, выпущенная из лука, на шесть и более метров, теряя во время приземления на передние лапы лишь незначительную часть своей кинетической энергии.
— Но какое это имеет отношение к прямохождению? — спросили Лавджоя. — Вы объяснили нам, почему четвероногие бегают быстрее, чем двуногие. Но почему тогда некоторые из них перешли к «худшему» способу?
— Чтобы ответить на этот вопрос, — сказал Лавджой, — нужно вспомнить, что наши предки жили на деревьях, а потом спросить себя, чем они там занимались.
Самые древние прародители приматов, продолжал он, не были древесными жителями. Эти небольшие насекомоядные четвероногие, по размерам и форме тела напоминавшие белку, жили и охотились на земле. По мере развития мощного пояса тропических лиственных лесов, где нашли себе приют всевозможные древесные насекомые, не говоря уже о более крупных животных — небольших лягушках, ящерицах, змеях, — некоторые из мелких наземных хищников вслед за потенциальной добычей сами стали взбираться на деревья. С течением времени полог леса был заселен множеством хищных зверьков с когтистыми лапками. Они проводили наверху всю свою жизнь.
Одно дело ловить мелкую добычу на земле и совсем другое — на деревьях. Если некоторые жуки и все гусеницы передвигаются так медленно, что их можно собирать и поедать почти как ягоды, то ящерицы весьма проворны и легко ускользают от преследования. Не схватишь жертву при первом же прыжке — и она скроется на нижней стороне ветки и убежит прочь. Нападающий должен быть способен прыгнуть на добычу с некоторого расстояния, удержать ее и при этом (ведь все происходит в трехмерном пространстве!) не свалиться вниз. Короче говоря, мелкие хищники, чтобы успешно охотиться на деревьях, должны были уметь прыгать, хватать и цепляться. У самых ранних предков приматов, которые, как полагают, напоминали насекомоядных азиатских тупай, в связи с охотой на более крупную добычу вроде древесных лягушек или ящериц на передних конечностях начали, видимо, развиваться более длинные и более цепкие пальцы. Вместо когтей на верхней стороне пальцев появились плоские ногти, и сами пальцы стали походить на человеческие. Постепенно формировалась характерная для приматов «рука».
Ее владелец был уже не столько бегуном, как раньше, сколько прыгуном и гимнастом. В обмен на развившиеся хватательные способности он отчасти утратил ту ловкость, с которой его предки бегали по ветвям деревьев. Ни долгопят, ни галаго, если взять двух самых мелких приматов, и поныне лазающих по деревьям в тропических лесах, не сравнится в скорости передвижения с белкой. Животное, обладающее когтями, в этом отношении имеет преимущество перед тем, у которого развиты кисть и пальцы. Белка может бегать вверх и вниз по стволам любых деревьев, а приматы — нет. Маленькие цепкорукие создания живут наверху, а на землю спускаются лишь тогда, когда нужно перейти с одного дерева на другое. Крупные приматы, такие как шимпанзе, регулярно слезают вниз. Деревья средней величины они осваивают без труда, но могучие гиганты, стволы которых они не могут обхватить, для них недоступны. Чтобы карабкаться по большому дереву, нужно иметь когти.