骨骼系统

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生物学中,骨骼系统是为生物体提供支持作用的生命系统,也和肌肉系统组成运动系统。骨骼系统主要可分为两种:外骨骼是动物外层的坚硬外壳,内骨骼则是在体内支撑身体。此外还有像水骨骼(Hydrostatic skeleton)和细胞骨架也属于骨骼系统的一种。

功能

骨骼的最主要功能,为支撑保持体形。因此海洋生物的骨骼不及陆地动物,是因为海洋提供了浮力支撑。动物进化而迁往陆地,就开始形成坚固的骨骼结构。另一方面,骨骼也提供肌肉连接面,通过关节,协助肌肉产生运动。骨骼也为内部软组织结构提供保护。

外骨骼包裹整个身体,容纳所有器官,保护度较高,但行动不便,也限制了生物的大小,因此只见于较低等生物。而较高等的生物则具有内骨骼,虽然保护性不及外骨骼,但也能保护一些重要器官,如:大脑脊髓心脏,行动方便快速,并且体形较大。一些内骨骼更有在红骨髓内产生血液细胞的能力。

分类

骨骼系统一般可分为外骨骼内骨骼、水骨骼(Hydrostatic skeleton)和细胞骨架。其中外骨骼内骨骼有坚硬的支持结构。

外骨骼

Main article: 外骨骼

在骨骼大小相同的情况下,大型的外骨骼结构与内骨骼相比所能支持的重量相对较小,因此,许多大型动物,例如脊椎动物具有内骨骼结构。外骨骼动物例如节肢动物软体动物和一些昆虫,它们的骨骼是一层保护内部器官的壳。

节足动物软体动物都具有外骨骼。由于外骨骼限制了动物的生长,这些外骨骼动物找到了不同的解决办法。大部分软体动物具有石灰质的壳,并且随着生长,壳的直径增大,形状不变。节肢动物在生长的过程中蜕去旧皮,这个过程称为蜕皮。生出新的外骨骼后,外骨骼通过不同的方式硬化(例如石灰质、骨质)。

昆虫的外骨骼不止是保护而已,也是肌肉附着的表面[1],也保护身体中的水分避免脱水,也是感觉器官之一。软体动物的壳也有类似的功能,不过不是感觉器官。

有外骨骼的动物,其外骨骼的重量可能占身体重量的相当比例,因此有外骨骼的动物多半体型较小,不过水生的软件动物因为在水中重量较轻,因此其外骨骼可以较大,像扇砗磲蛤的壳在尺寸很大,重量也很重。Syrinx aruanus的壳也相当大。

内骨骼

文件:Beaver skeleton.jpg
俄克拉荷马市的骨骼博物馆(The Museum of Osteology)展示的河狸骨骼
Main article: 内骨骼

内骨骼由体内坚硬的组织构成。有些动物的内骨骼只用来支撑身体(例如海绵),而有些动物的内骨骼可由肌肉系统提供动力。棘皮动物脊索动物内骨骼都是由中胚层组织发展而来。

矿物质化或骨质化的内骨骼被称为,例如人类和哺乳动物的骨骼。软骨是骨骼系统中另一重要的组成部分,起支持和补充骨骼的作用。人的由软骨定型。有些动物的骨骼完全由软骨构成而没有骨质化的骨,例如鲨鱼。骨于其它坚硬的结构由韧带相互连接,而与肌肉系统之间由肌腱连接。

无脊椎动物

棘皮动物的内骨骼及一些像水母蚯蚓等软件无脊椎动物会有水骨骼,好像是充满水的气球。腔肠动物(例如水母珊瑚虫等)和环节动物(例如水蛭)这些具有水骨骼的动物体腔内充满液体。提供静水压支撑身体,能通过收缩液囊周围的肌肉实现移动,例如蚯蚓通过改变身体的形状向前移动。

海绵

海绵的骨骼是由小的钙质或硅质海绵骨针(骨针)组成。寻常海绵纲占所有海绵的90%,其骨骼中骨针的成份是海绵硬蛋白(spongin)纤维、硅质矿物质,或是两者都有。若海绵骨针的成份中有硅,其外型会比较类似玻璃海绵[2]

棘皮动物

海星等棘皮动物的骨骼是由方解石及少量的氧化镁组成。棘皮动物的骨骼是位在中胚层表皮的下方,在支架形成细胞组成的细胞团内。其结构是多孔状的,因此可以又坚硬又轻。这些骨骼凝聚成钙质小骨(骨板),可以往各个方向生长,并取代身体损失的某一部份。骨骼之间有关节相连接,可以藉由肌肉来移动骨骼。

脊索动物

对于人类及大部份的脊索动物而言,骨骼系统大部份是由构成,其它部份则是软骨,哺乳类动物的软骨主要会在关节,而软骨鱼(包括鲨鱼)的骨骼系统完全是由软骨构成。

骨头除了支撑身体外,也可以储存钙和磷,供其它细胞使用。

鱼可以依其骨骼是硬骨或软骨,分为硬骨鱼软骨鱼。鱼骨骼的特殊之处是鱼鳍,其中只有尾鳍直接和脊椎相连,其余部份都是通过肌肉连接脊椎。

鸟的骨骼相当符合鸟类飞行的需要:轻量化、但有足够的强度可以承受起飞、飞行和降落时的应力。鸟类骨骼的特征是其成骨作用的骨头融合,像尾综骨(pygostyle)的形成,因此鸟类骨头的数量比其它同在陆地上的脊索动物要少。为了骨骼的轻量化,鸟类用来代替其它动物常用的没有牙齿,鸟类也没有牙齿,不过很很多幼鸟的喙上有一突起,称为蛋齿(egg tooth),有助于在孵化(Egg incubation)后可以破壳而出。

海洋哺乳动物

为方便在水中活动,海洋哺乳动物的后脚可能会完全退化,像鲸鱼海牛,或是整合在单一的尾鳍中,像是鳍足。

细胞骨架

细胞骨架是用来稳定及保护细胞的外形,是一个动态结构,可以维持细胞外形、通过鞭毛纤毛板状伪足等结构使细胞可以移动,在细胞间运输(像细胞器囊泡的移动)及细胞分裂时扮演重要角色。

头颅分类

羊膜动物都拥有外骨骼,这类动物是基于其骨骼而被分类。特别是其颅骨,通过在颅骨上颞窝窗的数量,可知道羊膜动物的分类。

人类骨架

Main article: 人体骨架
文件:Leonardo Skeleton 1511.jpg
「骨骼系统的学习」,列奥纳多•达•芬奇,1510年

人体骨架系统内已融合及独立的骨骼均由韧带肌腱肌肉软骨所支持及填充。骨架系统可以支持内脏、保护像肺脏心脏等重要器官,并且提供肌肉的固定点。虽然牙齿中不包括其它骨骼中常见的组织,但牙齿仍视为是骨骼,而且是骨架系统中的一员。人体中最大的骨是腿部的股骨,最小的是中耳中的镫骨[3]。骨骼约占人体重量的14%[4],其中有一半是水份。

人类有些部份骨头是由多块骨头融合而成,包括及人类髗骨(Human skull),大部份的骨头都直接(或通过关节)和骨架系统中的其它骨头连接,只有少数例外:中耳中的镫骨砧骨锤骨彼此相连,但没有和其它骨头相连。舌头舌骨只通过肌肉和韧带连接其它骨头,没有和其它骨头之间的关节。

成人的骨头共有206个,但其数字会依以下的算法而不同:骨盆中的髋骨是否算成一个,还是髂骨坐骨耻骨三个?尾骨要当成一个骨头还是四个骨头?颅骨需视为几个骨头?一般而言,骶骨会算成一个单一的骨,而不是五个稠合的椎骨。而在肌腱中也有许多的籽骨。像髌骨(patella)(膝盖骨)就是较大的籽骨。因为髌骨数量是固定的,一般会列入计算。骨头的数量也会因年龄而异,新生儿有超过270个骨头[5][6][7],后来有些骨头融合成为单一的骨头。人类的骨头可以整合成轴向骨架(axial skeleton)及肢骼骨架(Appendicular skeleton),前者为头及躯干的骨骼,后者为四肢的骨骼[8]

人类的骨头约在二十岁时才发育完成,骨头中含有骨髓,可以制造血球[9]

人类骨骼中维持了很多脊索动物(哺乳类、鸟类、鱼类、爬行类及两栖动物)的特征,骨骼中有许多反复出现的基本单位,尤其在脊柱肋骨最为明显。

男性和女性的骨骼系统有许多不同,男性的骨架一般会比女性要大,其骨骼也比较重。女性的胸骨一般也较宽且较短,其手腕一般也较细。女性的骨盆明显的和男性不同,这是和女性怀孕及生产有关,女性的骨盆较宽而且较浅,骨盆的出口较大,而骨盆的入口也较宽而较圆。男性耻骨之间的角度较较尖锐,因此会有较圆、较窄,形状接近心形的骨盆[10][11]

骨骼及软骨

骨骼

Main article: 骨骼

骨骼是脊椎动物中组成内骨骼的坚硬器官,其功能包括运动、支撑身体,保护身体中的其它器官,产生红血球白血球,以及储存矿物质。骨骼组织属于密度高的结缔组织,有许多不同的形状,有复杂的内在及外在结构。骨骼是轻量化又坚硬的组织,组织中其中之一是矿化组织(mineralized tissue),因此使骨骼坚硬,而且有蜂巢体的三维内在结构。骨骼中其它的组织包括骨髓、骨髓膜(endosteum)及骨膜神经血管软骨。成人共有206块骨骼[12]婴儿则有270块[13] [14]

软骨

Main article: 软骨

在胚胎发育时,许多软骨是骨骼的前身,在怀孕的中期和后期,骨骼周围的肌肉形成后,才会用骨骼来取代软骨,形成骨骼系统。软骨是较坚硬,可挠性较弱的结缔组织,在人体及其它动物的身体各部份上都有软骨,包括骨骼之间的关节、肋骨、手肘、膝盖、脚踝、支气管椎间盘,软骨的坚固程度不如骨骼,但仍比肌肉要坚硬。

软骨是由软骨细胞组成,产生大量的细胞外基质,由Ⅱ型胶原蛋白纤维(不过纤维软骨也含有Ⅰ型胶原蛋白)、有丰富蛋白聚糖的基质 (结缔组织)(ground substance)及弹性纤维组成。软骨可以分为三种:弹性软骨(elastic cartilage)、透明软骨(hyaline cartilage)及纤维软骨(fibrocartilage),三种软骨的差异是在于其主要成份。

软骨和其它的结缔组织不同,软骨中没有血管。软骨细胞是由弹性软骨的屈曲或是关节软骨的压缩产生的泵,产生的扩散作用来传播。因此软骨的生长和修复要比其它的结缔组织要慢[14]

相关条目

  • 骨骼
  • 软骨细胞
  • 接骨师(Bonesetter)
  • 软骨内骨化(Endochondral ossification)
  • 膜内骨化(Intramembranous ossification)
  • 成骨细胞(Osteoblast)
  • 骨测量点(Osteometric points)

参考资料

主要参考文献为维基百科相同或相关条目。维基百科网址

  1. S. Bengtson (2004). J. H. Lipps & B. M. Waggoner, ed. "Neoproterozoic- Cambrian Biological Revolutions" (PDF). Paleontological Society Papers 10: 67–78.  |contribution= ignored (help)
  2. Barnes, Robert D. (1982). Invertebrate Zoology. Philadelphia, PA: Holt-Saunders International. pp. 105–106. ISBN 0-03-056747-5. 
  3. 刘丽霞 (2006-12-08). "人体最小的骨头叫什么?镫(dèng)骨没了它,你的耳朵就只是摆设". 杭州日报. Retrieved 2014-12-15. 
  4. William W. Reynolds and William J. Karlotski (1977). "The Allometric Relationship of Skeleton Weight to Body Weight in Teleost Fishes: A Preliminary Comparison with Birds and Mammals". Copeia: 160–163. 
  5. Miller, Larry (2007-12-09). "We’re Born With 270 Bones. As Adults We Have 206". Ground Report. 
  6. "How many bones does the human body contain?". Ask.yahoo.com. 2001-08-08. Retrieved 2010-03-04. 
  7. "EXPLORING OUR HUMAN BODIES" (PDF). San Diego Supercomputer Center. 
  8. Tözeren, Aydın (2000). Human Body Dynamics: Classical Mechanics and Human Movement. Springer. pp. 6–10. ISBN 0-387-98801-7. 
  9. "Human bones in the body?". Hman Body. 
  10. name="Balaban-61">Balaban, Naomi (2008). The Handy Anatomy Answer Book. Visible Ink Press. p. 61. ISBN 978-1-57859-190-9. 
  11. Stein, Lisa (2007). Body The Complete Human: How It Grows, How It Works, And How to Keep It Healthy And Strong. National Geographic Society. p. 73. ISBN 978-1-4262-0128-8. 
  12. Steele, D. Gentry; Claud A. Bramblett (1988). The Anatomy and Biology of the Human Skeleton. Texas A&M University Press. p. 4. ISBN 0-89096-300-2. 
  13. Schmiedeler, Edgar; Mary Rosa McDonough (1934). Parent and Child: An Introductory Study of Parent Education. D. Appleton-Century. p. 31. 
  14. 14.0 14.1 "Bones and cartilage".