火烈鸟单腿站立的神经力学

如果你在动物园或者纪录片中，或者更幸运地在野外见过火烈鸟，你可能会好奇火烈鸟是如何单腿站着睡觉的。

作为人类，我们自己认为单腿站立很困难，并且在闭上眼睛的时候会更加困难。

作为科学家，我们两个对大脑控制身体的方式十分感兴趣，将此称作神经力学——生物力学与神经心理学的结合。我们近期针对火烈鸟单腿站立的原理进行了研究。

被动稳定还是主动稳定？

当我们调研文献时，我们发现没有任何关于火烈鸟单腿站立机制的研究，但也有一些关于他们为什么单腿站立的理论。

有些人认为在冷水中单腿站立是为了维持体温，单腿站立能减少一半的能量消耗。

credit: 煎蛋画师seηz

另外也有猜想认为单腿站立能放松一只脚，减轻肌肉疲惫。这种理论是建立在双腿站立比交替单腿站立更累的想法基础上的，但并没有人曾经直接测试过。

任何动物消耗的代谢能中，大部分都是由站立对抗重力和控制运动时激活肌肉导致的。如果单腿站立还会额外消耗能量，那么说火烈鸟节约热量损耗结果却增加了肌肉能量消耗就讲不通了。并且如果火烈鸟单腿站立更费劲，那么为什么他们要交替单腿站立而不是两条腿站立呢？

当你在杂货店前排队的时候，你不会屈膝站着，因为那样会消耗额外的能量激活腿部肌肉。想象大腿水平、膝盖呈直角的蹲姿，很快就会受不了。与其他鸟类一样，火烈鸟的腿部总是处于“屈膝”状态，因此可能总是消耗大量的能量，或者说肌肉负担很重。

很多动物都进化了自己行进的方式，减少消耗的能量，比如企鹅摇摇摆摆、长臂猿在林木之间晃荡以及蟑螂的弹跳机制。

其他动物，比如马，进化出了被动稳定机制，使得他们能站着睡觉。倒悬的蝙蝠和雀形目也进化出了抓握的被动机制，使得他们在睡觉的时候无须担心掉下来。

因此我们准备研究看看火烈鸟是凭借被动机制还是主动机制站着睡觉的。

检查火烈鸟，死活不论

科学家研究平衡的一种方法是令人或动物站在测力板上，测量他们施加于地面的作用力。根据测量，就能计算出“姿态晃动”，即一只脚、两只脚甚至四只脚站立的时候身体的匀速运动。

credit: 煎蛋画师Dealter

我们没有发现机械稳定的结构，比如桌子等。

虽然我们认为站立平衡是理所应当的，但其实是一个主动过程。在站立的时候神经系统会不断感知身体的移动，主动激发肌肉进行校正。姿态晃动的次数间接指示了神经系统的活跃性。通常我们不会注意到那些微小的位移，除非平衡出现大问题。比如在移动的表面上闭上眼睛，或者在眩晕的时候站立。

在我们的测量中，我们发现亚特兰大动物园的火烈鸟在单腿站立睡觉的时候姿势晃动非常少。当他们清醒的时候、修饰羽毛或者与同伴竞争之时，单腿站立的姿势晃动频率增加了七倍。

这是怎么回事？我们转向寻求解剖学文献和火烈鸟骨骼资料，看是否能发现有助于解释火烈鸟轻松单脚站立的生物力学稳定机制。但并没有什么发现，于是我们决定自己进行火烈鸟形态学研究，即研究火烈鸟的结构特点和作用方式。

虽然真正的机制尚不完全清楚，但我们从火烈鸟的尸体中得到了出乎意料的发现。如果以直角捏着火烈鸟的一只脚像棒棒糖那样举起来，鸟就会被动采取一种看起来单脚站立的身体形态。当我们将鸟的身体向前和向后倾斜45度时，身体形态仍旧保持稳定，膝盖仍旧保持直角。当我们试图操控火烈鸟身体时，我们发现关节十分稳定，能抵抗重力的牵引，但在其他方向就能轻易地移动关节。

重力和解剖结构

我们的发现表明，重力和火烈鸟特殊化的解剖结构在帮助这种动物无锁关节单腿稳定方面具有重要的作用，这可能也使得他们能在必要的时候迅速逃跑。从前方看火烈鸟尸体的腿部角度十分类似活体动物单腿站立的内倾斜。当从前方看腿是类似于单腿站姿的内夹角时，这个关节就会十分牢固。如果我们将尸体的腿举得更直，也就是从前方看更笔直，类似于火烈鸟双腿站立的姿态，身体就会不再稳定了。由于死尸的肌肉不会激活，因此我们将这理解为火烈鸟双腿站立时会激活肌肉以辅助站立，但在单腿姿态之时却不需要肌肉的辅助。

在本研究之前，我们可能会假定火烈鸟单腿站立需要大量的肌肉能量。但显然并非如此。他们能轻易地长时间保持单腿站立，根本不需要使用自身的肌肉。

我们为啥关心这个呢？本研究是一个关于火烈鸟与人类单腿站立方式差异的有趣探究。作为科学家，研究自然奥妙、发现物理和生物是如何错综影响动物行为是值得的。当然，从中也能学到实用的东西。具有机械化关节和腿部的机械系统，比如某些假肢器官和人形机器人，会消耗大量的能量以保持站立。也许利用火烈鸟平衡中的某些原理能设计更稳固，并且灵活有效的假肢和机器人。

本文译自 conversation，由 CliffBao 编辑发布。Lena Ting(埃默里大学)&Young-Hui Chang(佐治亚理工学院)