현재 일반적인 가정과 달리, 인간의 발은 주로 발바닥 중간 아치의 측면 곡률로 안정성을 얻는다. 롤링할 때 엄청난 부담에도 불구하고 발이 그 모양을 잃지 않도록 한다. 네이처(Nature)저널에 발표된 이 지식은 실제적으로 중요할 뿐만 아니라 사람의 직립보행 진화에 대한 새로운 시각을 제공한다.

우리의 발, 종 방향이 아니라 횡 방향 아치가 안정성을 제공한다.

현재 일반적인 가정과 달리, 인간의 발은 주로 발바닥 중간 아치의 측면 곡률로 안정성을 얻는다. 롤링할 때 엄청난 부담에도 불구하고 발이 그 모양을 잃지 않도록 한다. 네이처(Nature)저널에 발표된 이 지식은 실제적으로 중요할 뿐만 아니라 사람의 직립보행 진화에 대한 새로운 시각을 제공한다.

▲ 인간의 발에 작용하는 아치와 힘의 영향 © M. Venkadesan

우리의 발은 자연의 천재적인 구조이고 직립보행하는 영장류에 대해서도 유일한다.
유인원의 편평한 발은 매 발걸음마다 가운데에서 구부러지는 반면, 발은 뻣뻣한 상태를 유지한다. 이것에 대한 이유는 종(길이) 방향의 아치형(발 뒤꿈치와 엄지발가락 아래 둥근 부분 사이) 이라고 지금까지 생각해왔다. 힘줄의 네트워크로 유지되는 이 아치는 발바닥 가운데를 지지하고 탄력있는 힘을 준다. 적어도 이렇게 생각했던 것이다.

시험에서의 곡률

뉴 헤이븐의 예일대(Yale University)의 마두후수단 벤카데산(Madhusudhan Venkadesan)과 그의 동료들이 이제 알았듯이, 전체를 이해한 것이 아니었다.
인간의 발에는 두 번째 아치가 있는데, 이는 발 중간의 가로(폭) 아치다.
지금까지 생체 역학적으로 거의 연구되지 않은 이 구성 요소는 종 아치보다 발의 힘에 훨씬 중요하다.

연구진은 먼저 가상 모델과 사람의 발을 단순화한 복제본을 사용해 발 아치의 곡률과 강성 사이의 관계를 조사했다. 벤카데산과 그의 팀은 이러한 모델의 곡률을 변경하고 모델에 수직으로 견딜 수 있는 힘을 결정했다.

옆쪽이 길이 방향보다 중요

놀라운 결과 :
길이방향 아치의 곡률만 변경되면 예상과 달리 발의 안정성에 거의 영향을 미치지 않는다.
오키나와 과학기술 연구소의 공동저자 마헤시 반디(Mahesh Bandi)는 “발 모델의 폭 아치에는 다른 점이 있었다. “우리는 보다 명확한 폭 아치를 가진 플라스틱 모델과 시뮬레이션이 더 평평한 모델보다 구부리기가 더 어렵다는 것을 발견했다.”고 보고한다.

이것은 인간 시체의 발로 추가적인 굽힘 테스트와 힘 측정으로 확인되었다.
발 중간의 가로(폭방향) 힘줄이 잘리지 않으면 횡 방향 아치가 늘어져서 발의 안정성도 떨어졌다. 측정 결과에 따르면 가로 아치는 발 강성도에 40% 이상 기여하는 반면, 세로(길이방향) 아치는 약 23%만 기여 한다.

▲ 인간이 똑바로 걷는 것은 독특하며 우리 발의 특별한 구조 없이는 불가능하다.   Image by 547764 from Pixabay

일반적인 이미지가 뒤집힌 경우

이것은 우리 발의 이미지와 거의 한 세기 동안 알아 온 공통적인 생체 역학적 지식이 바뀌었음을 의미한다. 종 아치 대신에 가로 아치는 우리 발의 특수 안정성에 주요한 역할을 한다. 과학자들은 행동 원리를 지폐 또는 피자 조각의 팽창과 비교한다. 면을 약간 위로 밀면 끝이 멈추지 않고 똑바로 유지된다.

Venkadesan은 "발에도 동일하게 적용된다. 물론 많은 다른 조직과 구조가 관련되어 있기때문에 종이와 마찬가지로 쉽지는 않지만 원리는 동일하다." 우리가 무게를 엄지발가락 부위로 실으면, 무게는 중족골을 벌리고 가로 아치의 힘줄을 긴장시킨다. 이것은 발 중간을 단단하게 하고 구부러져 꺾기지 않도록 압력이 가해지지 않는다.

▲ 바르셀로나 과학 박물관에 전시된 오스트랄로피테쿠스 아파렌시스 Australopithecus afarensis 복제본 / Wissenschaftsmuseum CosmoCaixa in Barcelona

선사 시대의 새로운 모습

이것은 또한 인간의 발의 진화와 조상의 보행에 새로운 빛을 비출 수 있다.
아프리카 라에톨리(Laetoli)의 발자국은 선사 시대 오스트랄로피테쿠스 아파렌시스(Australopithecus afarensis)가 340만 년 전 현대인과 비슷했지만, 이 종에는 발에 종 아치가 없었다. 그러나 유인원과는 달리 오스트랄로피테쿠스는 이미 약간의 가로 아치를 가지고 있어서 발을 똑바로 걷는 데 필요한 안정성을 제공할 수 있었다.

Venkadesan은 “우리의 결과는 인간과 유사한 가로 아치가 약 250만 년 전에 발달했을 수 있다. 호모(Homo)속이 출현 전 150만 년 전이다.”고 말한다.
"이것은 해부학적으로 현대인으로 가는 길에 결정적인 단계일 수 있었다.“

(Nature, 2020; doi : 10.1038 / s41586-020-2053-y)
출처 : 예일대 학교, 오키나와 과학 기술원
Yale University, Okinawa Institute of Science and Technology

[더사이언스플러스=문광주]

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