火烈鳥單腿站立的神經力學

如果你在動物園或者紀錄片中，或者更幸運地在野外見過火烈鳥，你可能會好奇火烈鳥是如何單腿站著睡覺的。

作為人類，我們自己認為單腿站立很困難，並且在閉上眼睛的時候會更加困難。

作為科學家，我們兩個對大腦控制身體的方式十分感興趣，將此稱作神經力學——生物力學與神經心理學的結合。我們近期針對火烈鳥單腿站立的原理進行了研究。

被動穩定還是主動穩定？

當我們調研文獻時，我們發現沒有任何關於火烈鳥單腿站立機制的研究，但也有一些關於他們為什麼單腿站立的理論。

有些人認為在冷水中單腿站立是為了維持體溫，單腿站立能減少一半的能量消耗。

credit: 煎蛋畫師seηz

另外也有猜想認為單腿站立能放鬆一隻腳，減輕肌肉疲憊。這種理論是建立在雙腿站立比交替單腿站立更累的想法基礎上的，但並沒有人曾經直接測試過。

任何動物消耗的代謝能中，大部分都是由站立對抗重力和控制運動時激活肌肉導致的。如果單腿站立還會額外消耗能量，那麼說火烈鳥節約熱量損耗結果卻增加了肌肉能量消耗就講不通了。並且如果火烈鳥單腿站立更費勁，那麼為什麼他們要交替單腿站立而不是兩條腿站立呢？

當你在雜貨店前排隊的時候，你不會屈膝站著，因為那樣會消耗額外的能量激活腿部肌肉。想像大腿水平、膝蓋呈直角的蹲姿，很快就會受不了。與其他鳥類一樣，火烈鳥的腿部總是處於「屈膝」狀態，因此可能總是消耗大量的能量，或者說肌肉負擔很重。

很多動物都進化了自己行進的方式，減少消耗的能量，比如企鵝搖搖擺擺、長臂猿在林木之間晃蕩以及蟑螂的彈跳機制。

其他動物，比如馬，進化出了被動穩定機制，使得他們能站著睡覺。倒懸的蝙蝠和雀形目也進化出了抓握的被動機制，使得他們在睡覺的時候無須擔心掉下來。

因此我們準備研究看看火烈鳥是憑藉被動機制還是主動機制站著睡覺的。

檢查火烈鳥，死活不論

科學家研究平衡的一種方法是令人或動物站在測力板上，測量他們施加於地面的作用力。根據測量，就能計算出「姿態晃動」，即一隻腳、兩隻腳甚至四隻腳站立的時候身體的勻速運動。

credit: 煎蛋畫師Dealter

我們沒有發現機械穩定的結構，比如桌子等。

雖然我們認為站立平衡是理所應當的，但其實是一個主動過程。在站立的時候神經系統會不斷感知身體的移動，主動激發肌肉進行校正。姿態晃動的次數間接指示了神經系統的活躍性。通常我們不會注意到那些微小的位移，除非平衡出現大問題。比如在移動的表面上閉上眼睛，或者在眩暈的時候站立。

在我們的測量中，我們發現亞特蘭大動物園的火烈鳥在單腿站立睡覺的時候姿勢晃動非常少。當他們清醒的時候、修飾羽毛或者與同伴競爭之時，單腿站立的姿勢晃動頻率增加了七倍。

這是怎麼回事？我們轉向尋求解剖學文獻和火烈鳥骨骼資料，看是否能發現有助於解釋火烈鳥輕鬆單腳站立的生物力學穩定機制。但並沒有什麼發現，於是我們決定自己進行火烈鳥形態學研究，即研究火烈鳥的結構特點和作用方式。

雖然真正的機制尚不完全清楚，但我們從火烈鳥的屍體中得到了出乎意料的發現。如果以直角捏著火烈鳥的一隻腳像棒棒糖那樣舉起來，鳥就會被動採取一種看起來單腳站立的身體形態。當我們將鳥的身體向前和向後傾斜45度時，身體形態仍舊保持穩定，膝蓋仍舊保持直角。當我們試圖操控火烈鳥身體時，我們發現關節十分穩定，能抵抗重力的牽引，但在其他方向就能輕易地移動關節。

重力和解剖結構

我們的發現表明，重力和火烈鳥特殊化的解剖結構在幫助這種動物無鎖關節單腿穩定方面具有重要的作用，這可能也使得他們能在必要的時候迅速逃跑。從前方看火烈鳥屍體的腿部角度十分類似活體動物單腿站立的內傾斜。當從前方看腿是類似於單腿站姿的內夾角時，這個關節就會十分牢固。如果我們將屍體的腿舉得更直，也就是從前方看更筆直，類似於火烈鳥雙腿站立的姿態，身體就會不再穩定了。由於死屍的肌肉不會激活，因此我們將這理解為火烈鳥雙腿站立時會激活肌肉以輔助站立，但在單腿姿態之時卻不需要肌肉的輔助。

在本研究之前，我們可能會假定火烈鳥單腿站立需要大量的肌肉能量。但顯然並非如此。他們能輕易地長時間保持單腿站立，根本不需要使用自身的肌肉。

我們為啥關心這個呢？本研究是一個關於火烈鳥與人類單腿站立方式差異的有趣探究。作為科學家，研究自然奧妙、發現物理和生物是如何錯綜影響動物行為是值得的。當然，從中也能學到實用的東西。具有機械化關節和腿部的機械系統，比如某些假肢器官和人形機器人，會消耗大量的能量以保持站立。也許利用火烈鳥平衡中的某些原理能設計更穩固，並且靈活有效的假肢和機器人。

本文譯自 conversation，由譯者 CliffBao 基於創作共用協議(BY-NC)發布。Lena Ting(埃默里大學)&Young-Hui Chang(喬治亞理工學院)

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