Voetbotten die gescheiden zijn in kleine hoppende knaagdieren zijn versmolten in hun grotere neven en een team van onderzoekers van de Universiteit van Michigan en de Universiteit van Californië, San Diego, wilde weten waarom.

Het lijkt erop dat zodra de evolutie jerboa-botten op weg heeft gezet om samen te smelten, ze de optimale hoeveelheid versmelting overschreden - de structuur die de spanningen van springen en landen het beste verdrijft - om volledig gehecht te raken.

Deze bevinding zou kunnen bijdragen aan het ontwerp van toekomstige robotbenen die in staat zijn de hogere krachten te weerstaan ​​die gepaard gaan met snelle uitbarstingen van behendige voortbeweging.

Jerboa's zijn woestijnknaagdieren die grillig op twee poten springen om roofdieren te ontwijken. Over de jerboa-stamboom kunnen deze twee poten er heel anders uitzien:er zijn soorten die slechts drie gram wegen en die van 400 gram, met zwaardere soorten met enorm verschillende botten van de voeten of middenvoetsbeentjes. Lichtere jerboa's zijn net als de meeste andere zoogdieren, inclusief mensen:hun middenvoetbeenderen zijn gescheiden van elkaar.

"We wilden onderzoeken waarom we deze gefuseerde botten alleen in grotere springmuizen zien", zegt Carla Nathaly Villacís Núñez, U-M-promovendus in werktuigbouwkunde en eerste auteur van de studie in Proceedings of the Royal Society B .

"We ontdekten dat de gefuseerde botten lagere spanningen vertoonden dan niet-gefuseerde botten, waardoor ze sterker werden tegen hogere belastingen," zei ze. "Maar we ontdekten ook dat de gedeeltelijk gefuseerde botten een nog lagere spanning hadden dan de volledig gefuseerde botten. Een hypothese is dat volledig gefuseerde jerboa's een evolutionaire overschrijding hebben."

Om de botprestaties van verschillende soorten te bestuderen, voerden de onderzoekers micro-CT-scans uit van museumspecimens en bouwden 3D-modellen van de jerboa middenvoetsbeentjes in software, schaalden ze vervolgens op tot gelijke grootte en testten ze op stress terwijl ze sloegen, buigden en van een oppervlak sprongen .

De kleinere jerboa's hebben drie afzonderlijke middenvoetbeenderen, die de kleine gestalte van het knaagdier kunnen ondersteunen, zelfs als ze worden gebruikt voor high-impact springen. De meer recente, grotere jerboa-soorten hebben deze drie botten volledig samengesmolten tot één. De soorten met gemiddeld gewicht hebben iets daar tussenin:een middenvoetsbeentje met inwendige botresten waar het gedeeltelijk is samengesmolten, als een bundel stokken.

"Ons interdisciplinair team heeft geavanceerde technische technieken toegepast om een ​​evolutionaire puzzel te ontrafelen", zegt Talia Moore, U-M-assistent-professor robotica en senior auteur van het onderzoek.

"Evolutie bereikte een gunstig punt van gedeeltelijk gefuseerde geometrie, maar dan is het evolutionaire momentum mogelijk de middenvoetsbeentjes volledig blijven samensmelten. Omdat de volledig gefuseerde botten nog steeds voldoende zijn om te voorkomen dat ze breken, was er waarschijnlijk geen evolutionaire druk om te stoppen met samensmelten."

Het onderzoeksteam merkt op dat vergelijkbare analyses kunnen helpen bij het ontdekken van andere manieren waarop het skelet van vorm veranderde om te compenseren toen soorten evolueerden van viervoeter, of lopen op vier poten, naar tweevoetige voortbeweging.

"Terwijl kangoeroes, primaten en andere knaagdieren samenkwamen op tweevoetigheid, zijn de dynamiek van hun voortbeweging en de anatomische veranderingen die met die verschuiving gepaard gaan in elk geval heel anders", zegt Andrew Ray, een student materiaalwetenschap en techniek in het laboratorium van Moore.

"Door een vergelijkbare analyse konden we simuleren hoe de voetbeenderen van uitgestorven menselijke voorouders stress hebben ervaren tijdens het lopen, rennen of andere bewegingen."

Een andere auteur is Kimberly Cooper, hoogleraar ontwikkelingsbiologie aan de Universiteit van Californië, San Diego, die het idee voor het project samen met Moore formuleerde tijdens een afzonderlijk onderzoek naar de evolutie en ontwikkeling van middenvoetfusie in springmuizen. De expertise van Cooper was de sleutel tot het begrijpen van de evolutionaire implicaties van de bevindingen.