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Gesundheit+Medizin

Was unseren Fuß stabil hält

Fußabdruck
Fußabdruck im Sand (Bild: M. Venkadesan)

Unser Fuß ist eine einzigartige Konstruktion der Natur – und weniger gut erforscht als man glauben könnte. Denn Forscher haben nun Überraschendes über die Strukturen herausgefunden, die dem Fuß seine Steifigkeit verleihen. Ihre Experimente enthüllen, dass entgegen bisheriger Annahmen nicht das Längsgewölbe dafür die Hauptrolle spielt, sondern das bislang eher vernachlässigte Quergewölbe. Erst dieses sorgt dafür, dass unser Fuß trotz der enormen Belastung beim Abrollen nicht seine Form verliert. Diese Erkenntnis hat nicht nur praktische Bedeutung für Orthopäden, sie wirft auch ein ganz neues Licht auf die Evolution des menschlichen Fußes und des aufrechten Gangs.

Unser Fuß ermöglicht uns einen sicheren Stand auf zwei Beinen sowie das aufrechte Gehen und hält dabei sogar Sprüngen, Sprints und plötzlichen Richtungswechseln stand. Der Fuß bleibt formstabil und steif, obwohl bei jedem Abrollen Kräfte auf unserem Vorderfuß lasten, die einem Mehrfachen unseres Körpergewichts entsprechen können. Den Grund dafür vermuteten Anatomen und Biomechaniker bisher im Längsgewölbe unseres Fußes – der bogenförmigen Wölbung, die sich vom Ballen bis zum Hinterfuß erstreckt. Durch ein Geflecht von stabilen Sehnen gehalten, stützt dieses Gewölbe den Mittelfuß und verleiht ihm eine elastische Festigkeit. Studien zufolge ist das Längsgewölbe für rund 25 Prozent der Fußstabilität verantwortlich. Doch der menschliche Fuß besitzt noch ein zweites, quer-verlaufendes Gewölbe, dessen Rolle bislang kaum untersucht worden ist, wie Madhusudhan Venkadesan von der Yale University in New Haven und seine Kollegen erklären.

Fußgewölbe
Schema des Fußes und seiner Gewölbe. (Bild: M. Venkadesan)

Fußgewölbe im Test

Um herauszufinden, ob und in welchem Maße das Quergewölbe des Fußes zu seiner Festigkeit beiträgt, haben Venkadesan und sein Team nun eine Reihe mehrerer unterschiedlicher Experimente durchgeführt. Zunächst untersuchten sie die Beziehung zwischen Krümmung und Steifigkeit sowohl virtuell wie real an einem vereinfachten Modell des Fußgewölbes. Dieses bestand aus drei mit Federn verbundenen Stäben als Ersatz für die Mittelfußknochen samt Sehnen. Die Forscher veränderten nun die Krümmung dieses Konstrukts und ermittelten, welchen senkrecht dazu wirkenden Kräften es standhalten konnte. Dabei zeigte sich, dass die Krümmung und die verbindenden Querbänder dieses Mittelfuß-Modells entscheidend für seine Festigkeit sind. „Wir haben festgestellt, dass Plastikmodelle und Simulationen mit ausgeprägterer Querwölbung schwerer zu biegen sind als flachere“, berichtet Co-Autor Mahesh Bandi von der OIST Graduate University in Japan. „Demgegenüber hatte eine Zunahme der Krümmung beim Längsgewölbe nur wenig Effekt auf die Steifigkeit.“

Dabei blieb jedoch die Frage offen, ob dieser Zusammenhang auch im weit komplexeren Ensemble des menschlichen Fußes gilt. Deshalb führten Venkadesan und seine Kollegen ergänzende Versuche mit den Füßen von Leichen durch. Sie erfassten dabei Krafteinwirkung und Biegsamkeit einmal mit intakten Sehnen und einmal mit durchtrennten Quersehnen – fehlen diese Sehnen, verliert auch das Quergewölbe seine Krümmung. „Die Experimente zeigen, dass die Gewebe zwischen den Mittelfußknochen substanziell zur Fußsteifigkeit beitragen, und dies mehr als der zuvor ermittelte Beitrag des Längsgewölbes und seiner Sehnen von rund 23 Prozent“, berichten die Forscher. Demnach trägt das Quergewölbe zu mehr als 40 Prozent zur Biegesteifigkeit des menschlichen Fußes bei.

Neuer Blick auch auf den Fuß der Vormenschen

Die Wissenschaftler vergleichen das Wirkprinzip des Quergewölbes mit dem Wölben einer Banknote: Wird sie in sich gekrümmt, lässt sie sich nur noch schwer an einem Ende herunterdrücken. „Das gleiche gilt auch im Fuß“, sagt Venkadesan. „Natürlich ist es dort nicht so einfach wie bei einem Blatt Papier, weil viele andere Gewebe und Strukturen beteiligt sind, aber das Prinzip ist das gleiche.“ Wenn wir unser Gewicht auf die Ballen verlagern, drückt das auflastende Gewicht die Mittelfußknochen auseinander und spannt die Sehnen des Quergewölbes. Dies macht den Mittelfuß steif und sorgt dafür, dass er dem Druck nicht durch Einknicken nachgibt. Nach Ansicht der Forscher wirft ihre Entdeckung das seit fast einem Jahrhundert gültige Bild unseres Fußes und seiner biomechanischen Funktionsweise über den Haufen. Denn statt des vielstudierten Längsgewölbes spielt das bislang kaum beachtete Quergewölbe die Hauptrolle für die besondere Stabilität unserer Füße.

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Das könnte auch ein neues Licht auf die Evolution des menschlichen Fußes und den Gang unserer Vorfahren werfen. Denn die Fußabdrücke im afrikanischen Laetoli belegen, dass der Vormensch Australopithecus afarensis schon vor 3,4 Millionen Jahren ähnlich lief wie der moderne Mensch, obwohl diese Spezies kein Längsgewölbe im Fuß besaß. Dafür aber besaß der Australopithecus im Unterschied zu Menschenaffen bereits ein leichtes Quergewölbe, was seinem Fuß die nötige Stabilität für den aufrechten Gang verliehen haben könnte. Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass sich ein menschenähnliches Quergewölbe schon vor rund 2,5 Millionen Jahren entwickelt haben könnte – 1,5 Millionen Jahren vor der Entstehung der Gattung Homo“, sagt Venkadesan. „Dies könnte ein entscheidender Schritt auf dem Weg zum anatomisch modernen Menschen gewesen sein.“

Quelle: Madhusudhan Venkadesan (Yale University, New Haven) et al., Nature, doi: 10.1038/s41586-020-2053-y

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