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头图

大象的足底细胞是怎样能承受这么重而不会被压破的呢?

RoDobby / CC0

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这个问题有意思

我们先看下站立状态下,大象的足底压强与人的足底压强到底相差多少

①人:体重取成年男性平均值,约 60Kg;G=60×10N/Kg;每个足底的面积 S 约为 25cm^2,双足站立时足底压强为:

②大象:取网络广为流传的数据,体重为 5000kg,每个足底的面积为 500cm2,四脚站立时压强:

可以看到,人和大象的足底承受压强相差约为一倍,但基于人和大象足底并不一样,大象可视为一平整的圆柱体,而人足底呈弓状,主要靠脚后跟承重,所以足底承受最强压强处谁更大就不好说了。因此,尽管大象体重远比人高,但其足底承受压强和人对比,差距并没有想象中大

其次,我们看看足底细胞为何能承受全身重量而不会被“压爆”。

根据动物行走方式的不同,可以将之分为跖行、趾行和蹄行动物。跖行为用手掌和脚掌着地;趾行用手指和脚趾着地;蹄行用指 / 趾尖着地。

黑色部分为跟骨

根据大象脚掌的结构特点,其介于跖行和趾行之间,称为半跖行。原因很简单,大象其实是‘穿了高跟鞋’在走路的,这使得它实际上用脚趾在走路,而脚掌似乎也在走路,因此无法将之定位上述三种之一。大象脚掌的跟骨、跖骨下方有一个厚厚的脂肪掌垫,在负重过程中,这一缓冲垫负责缓冲压力,减少对足底神经和血管的压迫,并将动物的重量平均分散到整个脚掌上,使大象的脚具有比想象中更强的受力结构。

象的脚掌结构

尽管知道了大象脚掌的受力是均衡的,那为什么这么重的压力作用到骨头和皮肤之间,细胞不会‘爆浆’呢?

原因很简单,植物细胞有细胞壁,动物细胞同样有类似的结构,那就是细胞外基质(extracellular matrix,ECM)。ECM 由细胞分泌,主要由胶原、非胶原糖蛋白、氨基聚糖与蛋白聚糖,以及弹性蛋白四大类组成。ECM 对其内细胞起物理支撑作用,并将细胞有序连接在一起,以形成组织、器官。作为承重和缓冲的重要结构,脚掌脂肪垫中的 ECM 含量远比身体其他组织要高,垫内充满了散在的由 ECM 组成的细小而强韧的结缔组织纤维束,并在排列方向上与承受的主要压力方向相适应。有这一结构为细胞分担压力,脂肪垫中的细胞自然没那么容易‘爆浆’了。

细胞外基质与其内的细胞示意图

最后是足底皮肤,大象足底覆盖着一层厚厚的角质化鳞状上皮,即位于形成真皮的大量致密结缔组织浅面的表皮。表皮和真皮之间的界面含有数量众多的真皮乳头,并与表皮相互交错。真皮是一层厚厚的网状层,由胶原纤维紧密地交织而成,少量的弹性纤维点缀其间,网状的纤维结缔组织内含丰富的神经、血管(见下图)。以上种种特性,使得大象的足底皮肤具有耐磨、耐压的功能,承受身体压力自然也不在话下。

大象脚掌横切面,箭头为纤维结缔组织,其内的空腔为血管

单位面积承受压强不会太高、受力作用分散,加之丰富的胞外基质支撑,作用到细胞上的力其实并没有想象中可怕,足底的细胞自然不会被压破。


(注:图片均来自网络)

参考资料

1、Weissengruber GE, Egger GF, Hutchinson JR, et al. The structure of the cushions in the feet of African elephants (Loxodonta africana). J Anat. 2006;209(6):781-792.

2、Comparative foot morphology.Wikipedia.