Tři úplně jiná těla řeší při chůzi stejný problém
Ovocná muška se pohybuje na šesti nohách, myš na čtyřech a člověk na dvou. Liší se velikostí, stavbou končetin, nervovou soustavou i způsobem, jakým vytvářejí tah vpřed. Na první pohled proto není mnoho důvodů čekat, že při chůzi budou jejich těla používat stejnou strategii.
Výzkumníci z Kolína nad Rýnem a Forschungszentrum Jülich ale při společné analýze pohybu těchto tří druhů našli překvapivě stabilní vzorec. Čím dál je určitý kloub od středu těla, tím rychleji se při pohybu zpravidla pohybuje. Tento poměr se objevil u mušek, myší i lidí navzdory tomu, že každý druh vytváří dopředný pohyb jiným způsobem.
Zní to možná jako drobná biomechanická zajímavost. Jenže právě takové společné principy mohou pomoci odpovědět na mnohem praktičtější otázku: co se při chůzi mění kvůli stárnutí nebo nemoci a co je naopak základní vlastností pohybu, kterou tělo zachovává i při velkých změnách?
Nejde jen o to, že chodidlo opisuje větší oblouk
Mohlo by se zdát, že výsledek je předem jasný. Když pohybujeme nohou, chodidlo urazí větší dráhu než kyčel, a proto se zkrátka musí pohybovat rychleji. Autoři ale nesledovali jen tento jednoduchý geometrický důsledek. Porovnávali organizaci pohybu jednotlivých kloubů napříč zcela odlišnými tělesnými plány a podmínkami a hledali, které vztahy zůstávají zachované.
Ukázalo se, že existuje konzistentní distálně-proximální gradient rychlosti. Klouby blíže ke konci končetiny dosahují vyšších rychlostí než klouby blíž k trupu. Přestože konkrétní mechanismus pohonu je u mušky, myši a člověka jiný, základní hierarchie rychlostí se opakovala.
To neznamená, že všichni tři používáme jeden prastarý „program chůze“ zděděný od společného předka. Mnohem pravděpodobnější je, že velmi rozdílné nervové a biomechanické systémy narazily na podobný fyzikální problém a dospěly k podobné organizaci pohybu.
Evoluce může postavit jiné tělo, fyziku ale neobejde
Tohle je na výsledku možná nejzajímavější. Evoluce má obrovskou volnost při stavbě organismů, ale pohyb se vždy odehrává ve stejném fyzikálním světě. Končetina má hmotnost, musí překonávat setrvačnost, vytvářet sílu proti podložce a ve správném okamžiku posouvat těžiště vpřed.
Muška tedy nemusí mít nic, co by připomínalo lidské chodidlo, a její nervová soustava je proti naší nesrovnatelně jednodušší. Přesto se může ukázat, že při řešení základního úkolu – jak efektivně posouvat tělo prostorem – existuje jen omezený počet opravdu dobrých strategií.
Podobné příklady známe z evoluce často. Křídlo ptáka a netopýra vzniklo nezávisle, přesto musí obě konstrukce respektovat aerodynamiku. Žralok a delfín jsou velmi vzdálení příbuzní, ale voda oba tlačí k hydrodynamickému tvaru. U chůze může fungovat stejný princip: evoluce může změnit počet nohou, jejich délku i nervové řízení, fyzika však stále určuje, které pohybové strategie budou dobře fungovat.
A pak vědci nechali stejným testem projít stárnutí
Právě tady se z elegantní biomechaniky stává něco praktičtějšího. Výzkumníci neporovnávali jen zdravé mladé jedince, ale sledovali také, jak se pohyb mění se stárnutím.
U všech tří zkoumaných druhů se objevilo oslabení dopředného pohonu, konkrétní místo změny se ale lišilo. U starších lidí byl výraznější pokles odrazu především v oblasti kotníku, u myší se změny projevovaly zejména kolem kolene a kotníku a u mušek se měnila koordinace ohýbání končetin. Přes tyto rozdíly zůstával základní poměr rychlostí jednotlivých kloubů zachovaný.
To je důležité právě proto, že stárnutí zjevně nemění celý pohybový systém nahodile. Některé vrstvy pohybu se zhoršují nebo přizpůsobují, zatímco hlubší organizační princip zůstává stabilní.
Pro lékaře není nejdůležitější vědět, že myš chodí podobně jako člověk
Zvířecí modely se v neurologii a výzkumu pohybu používají běžně, ale jejich přenos na člověka má zásadní problém: myš jednoduše není malý člověk. Stejná nemoc může ovlivnit její končetiny jinak, jinak se projeví stárnutí a jiný je i způsob, jakým její tělo vytváří tah vpřed.
Nově vytvořený open-source nástroj AutoGaitA má tento problém zmírnit tím, že umožňuje analyzovat pohyb různých druhů stejným způsobem. Nejde tedy jen o otázku, zda pokusná myš „chodí lépe“ nebo „hůř“. Výzkumníci mohou rozlišit, které části změny odpovídají principům známým i u člověka a které jsou specifické pouze pro daný druh.
Právě to může být důležité při testování léčby neurologických chorob. Pokud experimentální zásah zlepší u zvířete pohybový parametr, který u člověka nefunguje stejným způsobem, jeho praktická hodnota může být menší, než na první pohled vypadá. Naopak změna základního principu sdíleného mezi druhy může být zajímavějším signálem.
Jednou by podobná analýza mohla zpřesnit i rehabilitaci
Autoři výslovně vidí využití také při výzkumu rehabilitace a fyzioterapie. Ne proto, že by nová studie přinesla hotový rehabilitační postup, ale protože nabízí způsob, jak pohyb kvantifikovat jednotněji a přesněji.
U člověka po cévní mozkové příhodě, při Parkinsonově chorobě, po poranění nervové soustavy nebo prostě během stárnutí nemusí být nejzajímavější pouze to, jak rychle jde. Mnohem víc může říct, která část pohybového řetězce přestává přispívat tak jako dřív, co tělo kompenzuje jiným kloubem a zda se po rehabilitaci vrací koordinace směrem k typickému vzorci.
Nová práce zatím neříká, že lékaři budou podle AutoGaitA příští rok nastavovat terapii pacientům. Ukazuje ale rámec, který může pomoci spojit experimentální biologii, neurologii a klinické sledování pohybu přesněji než dosavadní oddělené metody.
Stejné pravidlo možná platí i mimo chůzi
AutoGaitA není omezená jen na kroky po zemi. Podle autorů lze stejný analytický rámec v principu použít také na jiné rytmické pohyby, například plavání, létání nebo skákání.
To otevírá zajímavou otázku: kolik zdánlivě velmi odlišných způsobů pohybu je ve skutečnosti postaveno na několika základních organizačních principech? Biologie tradičně zdůrazňuje obrovskou rozmanitost těl a evolučních řešení, ale právě srovnávání napříč druhy může ukázat opačnou stránku příběhu – místa, kde si příroda navzdory miliardám let evoluce stále vybírá podobnou matematiku.
Moucha, myš a člověk tedy nechodí stejně. Nemají společnou anatomii končetin, stejnou nervovou soustavu ani totožnou strategii odrazu. Přesto jejich těla při pohybu zachovávají nápadně podobný vztah mezi rychlostmi jednotlivých částí končetiny.
A praktická hodnota tohoto zjištění není v tom, že bychom se měli učit chodit od mušky. Je v možnosti lépe poznat, která pravidla lidského pohybu jsou natolik základní, že přežívají napříč úplně odlišnými těly – a která se začnou měnit, když tělo stárne nebo onemocní.
MOHLO BY SE TI TAKÉ LÍBIT
Zdroje: Kód Enigma [1], Proceedings of the National Academy of Sciences – Cross-species identification of conserved and divergent locomotor kinematic strategies using AutoGaitA [2], University of Cologne – What flies, mice, and humans have in common when it comes to movement [3], Forschungszentrum Jülich – Software Makes It Possible to Compare the Movements of Flies, Mice, and Humans [4]. img ai generated
