Fotben som är åtskilda i små hoppande gnagare är sammansmälta i sina större kusiner, och ett team av forskare vid University of Michigan och University of California, San Diego ville veta varför.

Det verkar som att när evolutionen väl satte jerboaben på vägen mot sammansmältning, överträffade de den optimala mängden sammansmältning – den struktur som bäst skingrade påfrestningar från hopp och landning – för att bli helt sammanfogade.

Detta fynd kan informera om utformningen av framtida robotben som kan motstå de högre krafterna som är förknippade med snabba utbrott av smidig förflyttning.

Jerboas är ökengnagare som hoppar oberäkneligt på två ben för att undvika rovdjur. Tvärs över släktträdet för jerboa kan dessa två ben se väldigt olika ut:Det finns arter som bara väger tre gram och de som väger 400 gram, med tyngre arter som har väldigt olika ben i fötterna, eller mellanfotsben. Lättare jerboor är som de flesta andra däggdjur, inklusive människor:deras mellanfotsben är åtskilda från varandra.

"Vi ville utforska varför vi bara ser dessa sammansmälta ben i större jerboas", säger Carla Nathaly Villacís Núñez, UM-doktorand i maskinteknik och första författare till studien i Proceedings of the Royal Society B .

"Vi fann att de sammansmälta benen visade lägre spänningar än osammansatta ben, och därigenom förstärkte mot högre belastningar," sa hon. "Men vi upptäckte också att de delvis sammansmälta benen hade ännu lägre spänningar än de helt sammansmälta benen. En hypotes är att helt sammansmälta jerboas har evolutionär översvämning."

För att studera benprestandan mellan arter, utförde forskarna mikro-CT-skanningar av museiprover och byggde 3D-modeller av jerboa mellanfotsben i mjukvara, skalade dem sedan till lika stora storlekar och stresstestade dem när de träffade, böjde och hoppade av från en yta .

De mindre jerboorna har tre separata mellanfotsben, som kan stödja gnagarens lilla kroppsbyggnad även om de används för hoppning med hög effekt. De nyare, större jerboa-arterna har fullständigt smält samman dessa tre ben till ett. De mellanviktiga arterna har något däremellan:en mellanfot med inre benrester där den delvis har smält samman, som ett knippe pinnar.

"Vårt tvärvetenskapliga team tillämpade toppmoderna ingenjörstekniker för att reda ut ett evolutionärt pussel", säger Talia Moore, UM biträdande professor i robotik och senior författare till studien.

"Evolutionen träffade en fördelaktig punkt med delvis sammansmält geometri, men sedan kan det evolutionära momentumet ha fortsatt att helt smälta mellanfoten. Eftersom de helt sammansmälta benen fortfarande är tillräckliga för att inte gå sönder, fanns det sannolikt inget evolutionärt tryck för att sluta smälta."

Forskargruppen noterar att liknande analyser kan hjälpa till att avslöja andra sätt på vilka skelettet ändrade form för att kompensera när arter utvecklades från fyrfoting, eller gå på fyra fot, till tvåfotsrörelse.

"Medan känguruer, primater och andra gnagare konvergerade till tvåfoting, är dynamiken i deras förflyttning och de anatomiska förändringarna som är förknippade med det skiftet ganska olika i varje fall", säger Andrew Ray, en student som studerar materialvetenskap och ingenjörsteknik i Moores labb.

"Genom liknande analys kunde vi simulera hur fotbenen hos utdöda mänskliga förfäder kan ha upplevt påfrestningar under promenader, löpning eller annan rörelse."

Ytterligare en författare är Kimberly Cooper, professor i utvecklingsbiologi vid University of California, San Diego, som formulerade idén till projektet tillsammans med Moore under en separat studie som spårar utvecklingen och utvecklingen av metatarsal fusion i jerboas. Coopers expertis var nyckeln till att förstå de evolutionära konsekvenserna av fynden.