Le ossa del piede che sono separate nei piccoli roditori saltellanti sono fuse nei loro cugini più grandi e un team di ricercatori dell'Università del Michigan e dell'Università della California, a San Diego, voleva sapere perché.

Sembra che una volta che l'evoluzione ha messo le ossa di jerboa sulla strada per fondersi insieme, hanno superato la quantità ottimale di fusione, la struttura che meglio dissipava le sollecitazioni dal salto e dall'atterraggio, per diventare completamente legati.

Questa scoperta potrebbe informare la progettazione di future gambe robotiche in grado di resistere alle forze più elevate associate a rapide esplosioni di locomozione agile.

I Jerboa sono roditori del deserto che saltano in modo irregolare su due gambe per evitare i predatori. Attraverso l'albero genealogico dei jerboa, queste due gambe possono sembrare molto diverse:ci sono specie che pesano solo tre grammi e quelle che pesano 400 grammi, con specie più pesanti che sfoggiano ossa dei piedi molto diverse, o metatarsi. I jerboa più leggeri sono come la maggior parte degli altri mammiferi, compreso l'uomo:le loro ossa del piede metatarsale sono separate l'una dall'altra.

"Volevamo esplorare il motivo per cui stiamo vedendo queste ossa fuse solo in jerboa più grandi", ha affermato Carla Nathaly Villacís Núñez, dottoranda UM in ingegneria meccanica e prima autrice dello studio in Proceedings of the Royal Society B .

"Abbiamo scoperto che le ossa fuse mostravano sollecitazioni inferiori rispetto alle ossa non fuse, rafforzandosi così contro carichi più elevati", ha detto. "Ma abbiamo anche scoperto che le ossa parzialmente fuse avevano sollecitazioni persino inferiori rispetto alle ossa completamente fuse. Un'ipotesi è che i jerboa completamente fusi abbiano un superamento evolutivo".

Per studiare le prestazioni ossee tra le specie, i ricercatori hanno eseguito scansioni micro-TC di campioni museali e costruito modelli 3D dei metatarsi di jerboa nel software, quindi li hanno ridimensionati a dimensioni uguali e li hanno sottoposti a stress test mentre colpivano, si flettevano e saltavano fuori da una superficie .

I jerboa più piccoli hanno tre ossa metatarsali separate, che sono in grado di sostenere la piccola statura del roditore anche se utilizzato per salti ad alto impatto. Le specie di jerboa più recenti e più grandi hanno completamente fuso queste tre ossa in una sola. Le specie di peso intermedio hanno qualcosa nel mezzo:un metatarso con resti interni di osso in cui si è parzialmente fuso insieme, come un fascio di bastoncini.

"Il nostro team interdisciplinare ha applicato tecniche ingegneristiche all'avanguardia per svelare un enigma evolutivo", ha affermato Talia Moore, assistente professore di robotica UM e autrice senior dello studio.

"L'evoluzione ha raggiunto un punto vantaggioso di geometria parzialmente fusa, ma poi lo slancio evolutivo potrebbe aver continuato a fondere completamente i metatarsi. Poiché le ossa completamente fuse sono ancora sufficienti per evitare di rompersi, probabilmente non c'era alcuna pressione evolutiva per smettere di fondersi."

Il team di ricerca osserva che analisi simili potrebbero aiutare a scoprire altri modi in cui lo scheletro ha cambiato forma per compensare quando le specie si sono evolute da quadrupede, o camminando su quattro piedi, a locomozione bipede.

"Mentre canguri, primati e altri roditori convergevano sul bipedismo, la dinamica della loro locomozione e i cambiamenti anatomici associati a quel cambiamento sono piuttosto diversi in ogni caso", ha affermato Andrew Ray, uno studente universitario che studia scienze dei materiali e ingegneria nel laboratorio di Moore.

"Attraverso un'analisi simile, potremmo simulare come le ossa del piede di antenati umani estinti potrebbero aver subito stress durante la camminata, la corsa o altre locomozioni".

Un altro autore è Kimberly Cooper, professore di biologia dello sviluppo presso l'Università della California, San Diego, che ha formulato l'idea per il progetto con Moore durante uno studio separato che traccia l'evoluzione e lo sviluppo della fusione metatarsale nei jerboa. L'esperienza di Cooper è stata fondamentale per comprendere le implicazioni evolutive dei risultati.