De mens is van nature geen duurloper maar een sprinter, ontdekte een team onder leiding van Karl Bates in Liverpool. De Nederlandse bewegingswetenschapper Pasha van Bijlert werkte mee aan dit onderzoek. Zelfontwikkelde simulatiemodellen van de lichaamsbouw van mensaapachtige Lucy lieten dat zien. Lucy was geen goede renner, in tegenstelling tot de moderne mens.
Bewegingswetenschapper en paleontoloog Pasha van Bijlert onderzoekt aan de Universiteit Utrecht en Naturalis hoe dierlijke voortbeweging is geëvolueerd. Samen met Karl Bates in Liverpool keek hij naar het loopvermogen van de uitgestorven soort van mensaapachtige Lucy die 3 miljoen jaar geleden leefde. Bates en zijn collega’s maakten een digitaal 3D-model van het skelet van Lucy. “Omdat Lucy een van onze directe voorouders is, kunnen we hieruit concluderen dat de moderne mens geëvolueerd is tot een sprinter. Hoewel de huidige mens met zijn lichaamsbouw een snelheid kan bereiken van 7,9 meter per seconde, was dat bij mensaapachtige Lucy nog slechts 1,7 meter tot maximaal 5 meter per seconde”, zegt Van Bijlert.
Van Bijlert maakte op basis van 3D-scans van skeletten en spieren van Lucy een digitale weergave van de werkelijkheid. Natuurkundige berekeningen moesten vervolgens het antwoord geven op zijn onderzoeksvragen. Dat deed hij overigens niet alleen voor Lucy samen met de Britten, maar ook voor vogels. “Onze 3D-modellen bieden meer dan alleen het tot leven wekken van fossielen”, zegt Van Bijlert.
Mensaapachtige Lucy behoorde tot de Australopithecus afarensis, een voorloper van de mens die 3 miljoen jaar geleden leefde. Haar restanten werden in 1974 gevonden in Ethiopië. Ze was een belangrijke vondst voor de wetenschap, omdat ze nog in bomen klom en toch al rechtop kon lopen. Lucy zit dus eigenlijk tussen de slingerende mensaap en de rechtop lopende mens in. Ze kreeg de naam Lucy, omdat het onderzoeksteam tijdens de vondst het bekende Beatles-nummer ‘Lucy in the sky with diamonds’ draaide.
Onze 3D-modellen bieden meer dan alleen het tot leven wekken van fossielen”
“De huidige mens is waanzinnig succesvol geweest, evolutionair gezien. We weten niet wat de selectiedruk is geweest en waarom de mens op twee benen is gaan lopen. Wel is duidelijk dat de combinatie van lange benen, korte armen, sterke beenbotten en gebogen voeten van de moderne mens de reden is dat we zo’n goede lopers zijn”, aldus Van Bijlert. Samen met Karl Bates boog hij zich over de vraag of het een zuiniger loopvermogen was wat deze fysieke ontwikkelingen stimuleerde, of juist verbeterde hardloopprestaties. Hier debatteren wetenschappers al decennia over.
Bewegingssimulaties
In het onderzoek naar het menselijk loopvermogen, gebruikten Van Bijlert en het team van Bates dus bewegingssimulaties om de biomechanica en het energieverbruik van hardlopen in Australopithecus afarensis te modelleren, naast een model van een mens. Met het computermodel konden ze testen hoe hard de mensaapachtige of de mens zou kunnen rennen. Ze gebruikten gegevens van levende zoogdieren, vooral mensapen, om ontbrekende aspecten van de anatomie van Lucy in te vullen, zoals de grootte en eigenschappen van beenspieren. Bij zowel het model van Australopithecus als van de moderne mens voerde het team meerdere simulaties uit. Daarbij varieerden ze verschillende anatomische kenmerken die belangrijk worden geacht voor het moderne menselijke hardlopen, zoals grotere beenspieren en een lange achillespees. Door deze toe te voegen of juist te verwijderen, konden ze zien hoe ze de loopsnelheid en het energieverbruik beïnvloeden.
Lage snelheid rennen
Daarna deden de onderzoekers ook testen op spiereigenschappen van Lucy om de loopsnelheid te meten. Hiervoor moesten ze aannames doen, want er zijn geen zachte weefsels bewaard gebleven van Lucy. Spiermassa’s werden geschat aan de hand van de oppervlaktes van spieraanhechtingen van skeletten, zowel van de soort van Lucy als van de moderne mens. Van Bijlert: “Nu laat het digitaal model van Lucy’s skelet zien dat ze weliswaar in staat was om op beide benen rechtop te lopen, wat al eerder werd aangenomen, maar dat ze lang niet zo hard kon rennen als wij. Als je bij zo’n lage snelheid al op je max zit, heb je eigenlijk geen speelruimte om op een lager tempo te gaan joggen.” Lucy’s lichaamsbouw beperkte dus haar loopsnelheid ten opzichte van moderne mensen.
Lucy’s topsnelheid met mensaapachtige spieren.
Lucy’s lichaamsbouw beperkte haar loopsnelheid ten opzichte van moderne mensen”
Snelheidsmetingen
De onderzoekers kwamen op hun antwoord door snelheidsmetingen te doen in het model. Als ze Lucy in het model veel kenmerken van een mensaap gaven, zoals een beperkte achillespees en de spiermassa van een chimpansee, gaf het model de ondergrens aan van de loopsnelheid. “Bij deze ingevoerde gegevens bereikt Lucy een snelheid van 1,7 meter per seconde, dus dat is erg laag. Dat komt overeen met 6 kilometer per uur. Maar als we Lucy juist meer kenmerken gaven van de moderne mens, zoals een goed ontwikkelde en lange achillespees en veel spiermassa, kon ze maximaal 5 meter per seconde rennen. In werkelijkheid zal het loopvermogen van de mensaapachtige tussen deze extremen in hebben gelegen, dus ergens rond 8 kilometer per uur.
Een mens als Femke Bol daarentegen bereikt gemakkelijk een vier keer zo hoge snelheid en houdt dat langer vol, omdat ze minder dicht op de maximale snelheid rent.”
Video Lucy’s topsnelheid mensachtige spieren.
Vergelijking tussen mensaapachtige Lucy en mensachtige spieren bij Lucy.
Persistence hunting
Van Bijlert: “Het is dus onwaarschijnlijk dat wij 3 miljoen jaar geleden al zijn geselecteerd als langeafstandsrenners. Eerst waren we sprinters, vermoedelijk omdat dit ons voordeel gaf in het schuilen voor roofdieren. Het feit dat de mens beter is geworden in lange afstandsrennen, suggereert dat onze evolutionaire rol is veranderd. Mogelijk zijn we dus betere jagers geworden, wat voordeel gaf bij het zogenoemde ‘persistence hunting’, het zo lang mogelijk opjagen van prooien totdat ze uitgeput raken.”
Het is onwaarschijnlijk dat wij 3 miljoen jaar geleden al zijn geselecteerd als lange afstandsrenners”
Vervolgonderzoek
Bates benadrukt dat dit onderzoek slechts een eerste stap is naar meer kennis over de evolutie van het loopvermogen. “Ons onderzoek geeft inzicht in de loopsnelheid en de fysieke mogelijkheden, maar zegt niets over uithoudingsvermogen. Het is wel aannemelijk om aan te nemen dat het uithoudingsvermogen van Lucy zo beperkt was omdat haar mogelijkheid om te ´joggen´ relatief klein was. Maar het zou beter zijn als we dit in de toekomst gerichter kunnen meten met lange-afstands simulaties bijvoorbeeld. Ook omdat dit belangrijk is om meer opheldering te krijgen over de evolutie van het loopvermogen van de moderne mens.”
In ander onderzoek met simulatiemodellen keek Pasha van Bijlert ook naar het loopvermogen bij vogels. “Vogels doen aan ‘grounded running’, dat betekent dat ze kunnen wandelen zonder dat hun poten losraken van de grond. Zo blijven ze stabiel en lopen ze minder schokkerig. Bij sneller rennen raken ze wel even kort van de grond, net als bij mensen, maar niet bij het wandelen. De wetenschap begreep niet waarom vogels dit doen, omdat grounded running meer energie kost dan ‘normaal’ – terwijl dieren meestal kiezen voor een oplossing die het minste energie kost.” Uit simulaties bij de emoe bleek dat grounded running op veel loopsnelheden de beste looptechniek is, onafhankelijk van de peesrekbaarheid.
Toch was er iets anders wat nóg belangrijker was: de gehurkte houding van vogels. “De knieën van vogels zitten eigenlijk verscholen in het lijf, omdat ze gehurkt staan. In de evolutionaire geschiedenis stammen vogels af van dinosaurussen, en hebben ze hun staart verloren. Om toch stabiel te blijven, hebben ze dikke vleugelspieren ontwikkeld en tegelijkertijd deze gehurkte houding om niet voorover te vallen. Juist die gehurkte houding maakt grounded running zo succesvol. Het is aannemelijk dat ook dino’s aan grounded running deden, en vogels dit als restant hebben overgehouden in hun voortbeweging.”
