38.1: 骨骼系统的类型

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培养技能

讨论不同类型的骨骼系统
解释人体骨骼系统的作用
比较和对比不同的骨骼系统

骨骼系统是支撑身体、保护内部器官和允许生物体运动所必需的。有三种不同的骨架设计可以实现这些功能：静液压骨架、外骨骼和内骨骼。

静水骨架

静液压骨架是由体内充满液体的隔间形成的骨架，称为 coelom。腔室的器官由水性液体支撑，水液还可以抵抗外部压缩。由于液体的原因，这个隔室处于静水压力之下，它支撑着生物体的其他器官。这种类型的骨骼系统存在于软体动物中，例如海葵、蚯蚓、刺胞和其他无脊椎动物（图\(\PageIndex{1}\)）。

照片显示了一颗白色的海星，手臂顶部和尖端有红色的凸起。 — 图\(\PageIndex{1}\)：红色旋钮海星（*Protoreaster linckii*）的骨架就是静液压骨架的一个例子。（来源：“Amada44” /维基共享资源）

静液压骨架中的运动由腔室周围的肌肉提供。静液压骨架中的肌肉会收缩以改变 coelom 的形状；coelom 中液体的压力会产生运动。例如，蚯蚓，通过体壁骨骼肌的肌肉收缩浪潮移动，静液压骨架（称为蠕动），交替缩短和延长身体。延长身体会延伸生物体的前端。大多数生物都有将自己固定在基质中的机制。然后，缩短肌肉会将身体的后部向前拉动。尽管静水骨架非常适合无脊椎动物生物，例如蚯蚓，以及一些水生生物，但对于陆生动物来说，它并不是一个有效的骨架。

外骨骼

外骨骼是一种外部骨架，由生物体表面的硬壳组成。例如，螃蟹和昆虫的壳是外骨骼（图\(\PageIndex{2}\)）。这种骷髅类型可以抵御掠食者，支撑身体，并允许在附着的肌肉收缩时移动。与脊椎动物一样，肌肉必须穿过外骨骼内的关节。缩短肌肉会改变外骨骼两个部分的关系。螃蟹和龙虾等节肢动物的外骨骼由30-50％的甲壳素组成，甲壳素是一种葡萄糖的多糖衍生物，是一种坚固但柔韧的物质。甲壳素由表皮细胞分泌。通过在龙虾等生物体中添加碳酸钙，外骨骼得到进一步增强。由于外骨骼是无细胞的，节肢动物必须定期脱落外骨骼，因为外骨骼不会随着生物体的生长而生长。

照片显示了一只有橙色腿的螃蟹和一只黑色的尸体在树上爬行。 — 图\(\PageIndex{2}\)：附着在万圣节螃蟹（*Gecarcinus quadratus*）外骨骼上的肌肉允许它移动。

内骨骼

内骨骼是由位于生物软组织内的硬矿化结构组成的骨架。原始骨骼内结构的一个例子是海绵的尖刺。脊椎动物的骨骼由组织组成，而海绵没有真正的组织（图\(\PageIndex{1}\)）。内骨骼为身体提供支撑，保护内部器官，并允许附着在骨骼上的肌肉收缩而移动。

照片显示了骑着反马骷髅的人体骷髅。 — 图\(\PageIndex{3}\)：人类和马的骨骼就是内骨骼的例子。（来源：罗斯·墨菲）

人体骨骼是一种内骨骼，由成人的206根骨骼组成。它有五个主要功能：为身体提供支持，储存矿物质和脂质，产生血细胞，保护内脏器官和允许运动。脊椎动物的骨骼系统分为轴向骨架（由头骨、椎柱和肋骨组成）和阑尾骨骼（由肩部、肢骨、胸带和骨盆带组成）。

人类轴向骨架

轴向骨架构成人体的中心轴，包括头骨的骨头、中耳的小骨、喉部的 hyoid 骨、椎柱和胸笼（胸腔）（图\(\PageIndex{1}\)）。轴向骨架的功能是为大脑、脊髓和腹侧体腔中的器官提供支撑和保护。它为肌肉的附着提供了表面，这些肌肉可以移动头部、颈部和躯干，进行呼吸运动，并稳定阑尾骨骼的某些部分。

在人体骨骼上，突出显示轴向骨骼的各个部分。 — 图\(\PageIndex{4}\)：轴向骨骼由颅骨、中耳小骨、hyoid 骨、椎柱和肋骨组成。（来源：玛丽安娜·鲁伊斯·比利亚雷尔对作品的修改）

骷髅

头骨支撑面部结构并保护大脑。头骨由22根骨头组成，分为两类：颅骨和面部骨头。颅骨是构成颅腔的八根骨头，颅腔封闭了大脑，是头部和颈部肌肉的附着部位。八根颅骨是额骨、两根顶骨、两根腱骨、枕骨、蝶骨和 ethmoid 骨。尽管骨头在胚胎和胎儿中分开发育，但在成年人中，它们与结缔组织紧密融合，相邻的骨骼不会移动（图\(\PageIndex{5}\)）。

图中显示了头骨的八根颅骨。 — 图\(\PageIndex{5}\)：头骨支撑面部结构并保护大脑。（来源：玛丽安娜·鲁伊斯·比利亚雷尔对作品的修改）

中耳的听觉小骨以振动的形式将来自空气的声音传递到充满液体的耳蜗上。听觉小骨由六根骨头组成：两根锤骨、两根 incus 骨头和每侧两根葡萄球菌。它们是人体中最小的骨头，是哺乳动物所独有的。

十四根面部骨骼形成面部，为感觉器官（眼睛、嘴巴和鼻子）提供空腔，保护消化道和呼吸道的入口，并充当面部肌肉的附着点。 14 根面部骨头是鼻骨、上颌骨、颧骨、腭骨、呕吐物、泪骨、下鼻锥和下颌骨。除了下颌骨和呕吐物外，所有这些骨头都成对出现（图\(\PageIndex{6}\)）。

插图显示了头骨的前端视图。额骨是构成头骨顶部大部分的突出骨头。顶骨蝶骨构成头骨的侧面。两根鼻骨构成鼻梁。颧骨是脸颊骨。呕吐物是鼻子中间的一根骨头。上颌骨构成上颚，下颌骨是下颚。泪液是他们眼睛内心的一根骨头。鼻孔是鼻子内的骨头。 — 图\(\PageIndex{6}\)：颅骨，包括额骨、顶叶骨和蝶骨，覆盖头顶。头骨的面部骨头形成面部，为眼睛、鼻子和嘴巴提供空腔。

尽管在头骨中找不到 hyoid 骨头，但它被认为是轴向骨骼的组成部分。 hyoid 骨位于脖子前部的下颌骨下方。它充当舌头的可移动底座，与下巴、喉部和舌头的肌肉相连。下颌骨与头骨底部关节。下颌骨控制气道和肠道的开口。在有牙齿的动物中，下颌骨使牙齿表面与上颌牙接触。

椎柱

椎柱或脊柱环绕和保护脊髓，支撑头部，并充当背部和颈部肋骨和肌肉的附着点。成人椎柱由26根骨头组成：24根椎骨、骶骨和尾骨骨。在成年人中，骶骨通常由五个椎骨组成，它们融合成一个。尾骨通常是3-4个椎骨，融合成一个椎骨。在70岁左右，骶骨和尾骨可能会融合在一起。我们从大约33个椎骨开始生命，但是随着我们的成长，几个椎骨融合在一起。成人椎骨进一步分为 7 个颈椎、12 个胸椎和 5 个腰椎（图\(\PageIndex{7}\)）。

每个椎体的中心都有一个大洞，脊髓的神经穿过这个洞。两侧还有一个缺口，在该水平上为人体服务的脊神经可以通过该缺口从脊髓中排出。成年男性的椎柱长度约为71厘米（28英寸），是弯曲的，从侧视图可以看出。脊柱曲线的名称对应于它们所在的脊柱区域。胸部和骶骨曲线是凹形的（相对于身体前部向内弯曲），颈部和腰部曲线是凸的（相对于身体前部向外弯曲）。椎柱的拱形曲率增加了其强度和灵活性，使其能够像弹簧一样吸收冲击（图\(\PageIndex{7}\)）。

由纤维软骨组成的@@ 椎间盘位于从第二个颈椎到骶骨的相邻椎体之间。每个椎间盘都是关节的一部分，它允许脊柱进行一些运动，并充当缓冲器，以吸收走路和跑步等动作产生的冲击。椎间盘还充当韧带，将椎骨结合在一起。椎间盘的内部，即髓核，随着年龄的增长而变硬，弹性降低。这种弹性丧失会降低其吸收冲击的能力。

胸笼

胸笼，也称为胸腔，是胸部的骨架，由肋骨、胸骨、胸椎和肋软骨组成（图\(\PageIndex{8}\) .8）。胸笼包围和保护胸腔器官，包括心脏和肺部。它还为肩带和上肢提供支撑，并作为隔膜、背部、胸部、颈部和肩部肌肉的附着点。胸部体积的变化可以呼吸。

胸骨或胸骨是位于胸部前部的长而扁平的骨头。它由成虫体内融合的三根骨头形成。肋骨是 12 对长而弯曲的骨头，它们附着在胸椎上，向身体前部弯曲，形成胸腔。肋软骨将肋骨的前端连接到胸骨，但肋对11和12除外，它们是自由浮动的肋骨。

插图显示了肋骨和胸骨，后者是位于上半身前部和中心的骨头。肋骨在身体周围大约四分之三的距离结束，它们不直接连接到胸骨；相反，肋软骨将肋骨与胸骨连接起来。 — 图\(\PageIndex{8}\)：胸腔或肋骨保护心脏和肺部。（来源：NCI、NIH 对作品的修改）

人类阑尾骨架

阑尾骨骼由上肢（用于抓住和操纵物体的功能）和下肢（允许运动）的骨骼组成。它还包括将上肢固定在身体上的胸带或肩带，以及将下肢连接到身体的骨盆带（图\(\PageIndex{9}\)）。

插图显示了阑尾骨骼，它由手臂、腿、肩骨和骨盆带组成。 — 图\(\PageIndex{9}\)：阑尾骨骼由胸肢（手臂、前臂、手）、骨盆四肢（大腿、腿、足）、胸带和骨盆带的骨骼组成。（来源：玛丽安娜·鲁伊斯·比利亚雷尔对作品的修改）

胸带

胸带骨提供上肢与轴向骨架的附着点。人体胸带由前部的锁骨（或锁骨）和后部的肩骨（或肩 blade 骨）组成（图\(\PageIndex{10}\)）。

锁骨是S 形的骨头，将手臂放在身体上。锁骨水平位于胸部（胸部）的前部，就在第一根肋骨的正上方。这些骨头相当脆弱，容易骨折。例如，伸出双臂摔倒会使力传递到锁骨，如果力过大，锁骨可能会断裂。锁骨与胸骨和肩腱关节。

肩腱是扁平的三角形骨头，位于胸带的后部。它们支撑穿过肩关节的肌肉。一条叫做脊柱的脊穿过肩腱的后部，很容易通过皮肤感觉到（图\(\PageIndex{10}\)）。肩腱的脊柱是骨突起的一个很好的例子，它有利于肌肉与骨骼的大面积附着。

上肢

上肢包含三个区域的 30 根骨头：手臂（肩部到肘部）、前臂（尺骨和半径）以及手腕和手（图\(\PageIndex{11}\)）。

插图显示了人体骨骼手臂。肱骨是上臂的骨头。半径是前臂的粗骨，尺骨是细骨。腕是手腕的骨头，掌骨是手的骨头，指骨是手指的骨头。 — 图\(\PageIndex{11}\)：上肢由上臂的肱骨、前臂的半径和尺骨、carpus 的八根骨头、metacarpus 的五根骨头和 14 根指骨组成。

关节是指两根骨头连接的任何地方。肱骨是上肢最大和最长的骨头，也是手臂唯一的骨头。它与肩腱在肩部，前臂在肘部关节。前臂从肘部延伸到手腕，由两根骨头组成：尺骨和半径。半径位于前臂的外侧（拇指）侧，与肘部的肱骨关节。尺骨位于前臂的内侧（小指侧）。它比半径长。尺骨与肘部的肱骨关节。半径和尺骨还与腕骨相互关联，在脊椎动物中，腕骨可以相对于肢体的长轴进行可变程度的旋转。手包括 carpus（手腕）的八根骨头、掌骨的五根骨头（手掌）和 14 根指骨（数字）。每个数字由三个指骨组成，但拇指除外，如果有，它只有两个。

骨盆带

骨盆带附着在轴向骨架的下肢上。由于骨盆带负责承受身体的重量和运动，因此骨盆带通过强韧的韧带牢固地固定在轴向骨架上。它还具有深窝和坚固的韧带，可将股骨牢固地固定在身体上。两根大臀骨进一步加强了骨盆带。在成年人中，髋骨或尾骨是由三对骨的融合形成的：胫骨、坐骨和耻骨。骨盆在身体前部连接在称为耻骨联合的关节处，骶骨位于身体后部。

女性骨盆与男性骨盆略有不同。经过几代人的进化，阴角更宽、骨盆管直径更大的雌性更成功地繁殖。因此，他们的后代也有骨盆解剖结构，可以成功分娩（图\(\PageIndex{12}\)）。

插图比较了雄性和女性的骨盆骨骼。在雄性和雌性中，脊柱两侧都附着一根叫做 ilium 的宽而圆的骨头。 ilium 向前弯曲，然后变窄到坐骨处。一根环状的骨头从 ilium 与坐骨交汇处向下延伸，然后连接到身体前部中央的 ilium。 — 图\(\PageIndex{12}\)：为了适应生殖健康，（a）雌性骨盆比（b）雄性骨盆更轻、更宽、更浅，耻骨之间的角度更宽。

下肢

下肢由大腿、腿和脚组成。下肢的骨头是股骨（大腿骨）、髌骨（膝盖）、胫骨和腓骨（腿骨）、睑骨（脚踝的骨头）以及睑骨和指骨（脚骨）（图\(\PageIndex{13}\)）。下肢的骨头比上肢的骨头更厚更强壮，因为需要支撑身体的全部重量以及运动产生的力量。除了进化适应性外，个体的骨骼还会对施加在他们身上的力量做出反应。

插图显示了一条腿。大腿的骨头是股骨。胫骨较厚，是小腿的前骨，腓骨是后骨。睑板是脚踝的骨头。 metatarsals 是脚的骨头，指骨是脚趾的骨头。 — 图\(\PageIndex{13}\)：下肢由大腿（股骨）、膝骨（髌骨）、腿（胫骨和腓骨）、脚踝（睑骨）和足部（睑骨和指骨）组成。

股骨或大腿骨是人体中最长、最重、最强的骨头。股骨和骨盆在近端形成髋关节。在远端，股骨、胫骨和膝盖骨形成膝关节。膝盖骨或膝盖骨是一种位于膝关节前面的三角形骨头。膝盖骨嵌入股骨伸肌（股四头肌）的肌腱中。它通过减少摩擦来改善膝盖伸展。胫骨或胫骨是腿部的一根大骨头，位于膝盖正下方。胫骨关节，股骨位于其近端，腓骨和睑骨位于其远端。它是人体第二大骨头，负责将人体的重量从股骨传递到足部。腓骨或小腿骨与胫骨平行和关节。它不与股骨沟通，也不会承受重量。腓骨充当肌肉附着部位，形成脚踝关节的外侧部分。

睑板是脚踝的七根骨头。脚踝将身体的重量从胫骨和腓骨传递到足部。 metatarsals 是脚的五根骨头。指骨是脚趾的14根骨头。每个脚趾由三个指骨组成，只有两个指骨的大脚趾除外（图\(\PageIndex{14}\)）。其他物种也存在差异；例如，马的掌骨和掌骨是垂直方向的，不会与基质接触。

插图显示的是人的脚。 metatarsals 是五根长而细的骨头，它们与指骨相连。 — 图\(\PageIndex{14}\)：这幅画显示了人脚和脚踝的骨头，包括睑骨和指骨。

演化连接：陆地运动车身设计的演变

脊椎动物向陆地的过渡需要对身体设计进行许多改变，因为陆地运动给适应水中运动的动物带来了许多挑战。水的浮力提供了一定程度的升力，鱼类运动的一种常见形式是整个身体的横向起伏。这种来回运动将身体推向水面，从而产生向前移动。在大多数鱼类中，成对鳍的肌肉附着在体内的腰带上，可以在一定程度上控制运动。当某些鱼开始移动到陆地上时，它们保留了横向起伏的运动形式（anguilliform）。但是，它们的鳍或脚鳍不是向水推动，而是变成了与地面的接触点，他们的身体围绕地面旋转。

重力的影响和陆地上浮力不足意味着体重悬浮在四肢上，导致四肢的强化和骨化加剧。重力的影响还要求改变轴向骨架。陆地动物椎柱的横向起伏会导致扭转拉伤。在陆地四足动物中，更坚固、更骨化的椎柱变得很常见，因为它可以减少压力，同时提供支撑人体重所需的力量。在后来的四足动物中，椎骨开始允许垂直运动而不是横向屈曲。轴向骨架的另一个变化是失去了胸带和头部之间的直接附着力。这减少了四肢撞击地面所造成的头部震动。颈部的椎骨也进化为允许头部独立于身体移动。

陆地动物的阑尾骨骼也不同于水生动物。肩膀通过肌肉和结缔组织附着在胸带上，从而减少了头骨的震动。由于椎柱横向起伏，在早期的四足动物中，四肢向一侧张开，运动是通过进行 “俯卧撑” 进行的。这些动物的椎骨必须以与鱼类和爬行动物相似的方式左右移动。这种运动需要大块肌肉才能将四肢向中线移动；这几乎就像在做俯卧撑时走路一样，不是一种有效的能量消耗。后来，四足动物的四肢被置于体下，这样每一步都需要更少的力量才能向前移动。这导致内收肌大小减小，肩腱活动范围扩大。这也将移动主要限制在一个平面上，从而产生向前运动，而不是将四肢向上和向前移动。股骨和肱骨也被旋转，因此四肢和手指的末端指向前方，朝运动方向，而不是向外指向侧面。通过放置在身体下方，四肢可以像钟摆一样向前摆动，从而产生更有效率的在陆地上移动的步幅。

摘要

三种类型的骨架设计是静液压骨架、外骨骼和内骨骼。静液压骨架由在静水压力下保持的充满液体的隔室形成；运动是由肌肉对液体产生压力而产生的。外骨骼是一种坚硬的外部骨架，它可以保护生物体的外表面，并允许通过附着在内部的肌肉中移动。内骨骼是由坚硬的矿化组织组成的内部骨架，还可以通过附着在肌肉上进行运动。人体骨骼是由轴向和阑尾骨骼组成的内骨骼。轴向骨骼由头骨的骨头、耳的小骨、hyoid 骨、椎柱和胸腔组成。头骨由八根颅骨和十四根面部骨头组成。六根骨头构成中耳的小骨，而 hyoid 骨位于下颌骨下方的脖子上。椎柱包含 26 根骨头，它环绕和保护脊髓。胸笼由胸骨、肋骨、胸椎和肋软骨组成。阑尾骨骼由上肢和下肢的四肢组成。胸带由锁骨和肩腱组成。上肢在手臂、前臂和手部包含 30 根骨头。骨盆带将下肢固定在轴向骨架上。下肢包括大腿、腿和脚的骨头。

词汇表

阑尾骨架: 由上肢的骨头和允许运动的下肢骨头组成，其作用是抓住和操纵物体

表达: 两根骨头连接的任何地方

听觉小骨: （也是中耳）将来自空气的声音转化为充满液体的耳蜗中的振动

轴向骨架: 构成身体的中心轴线，包括头骨的骨头、中耳的小骨、喉咙的 hyoid 骨、椎柱和胸笼（胸腔）

carpus: 构成手腕的八根骨头

锁骨: S 形骨头，手臂横向定位

coxal bone: 髋骨

颅骨: 形成封闭大脑并作为头部和颈部肌肉附着部位的颅腔的八根骨头之一

内骨骼: 活细胞的骨架，产生位于生物软组织内的硬矿化组织

外骨骼: 一种分泌的细胞产物外部骨架，由生物体表面的硬壳组成

面部骨头: 构成面部的 14 根骨头之一；为感觉器官（眼、嘴和鼻子）提供空腔，为面部肌肉提供附着点

股骨: （也是大腿骨）体内最长、最重、最强的骨头

腓骨: （也是小腿骨）与胫骨平行和关节

前臂: 从肘部延伸到手腕，由两根骨头组成：尺骨和半径

肱骨: 只有手臂的骨头

静液压骨架: 骨架，由在压力下保存在封闭身体隔室中的水性流体组成

hyoID bone: 位于脖子前部的下颌骨下方

椎间盘: 由纤维软骨组成；位于从第二个颈椎到骶骨的相邻椎骨之间

下肢: 由大腿、腿和脚组成

metacarpus: 构成手掌的五根骨头

metatarsal: 足部五根骨头之一

膝盖骨: （也称膝盖）位于膝关节前的三角骨

胸带: 将上肢产生的力传递到轴向骨骼的骨骼

指骨: 手指或脚趾的一根骨头

骨盆带: 将下肢产生的力传递到轴向骨骼的骨骼

半径: 骨位于前臂的外侧（拇指）一侧；与肘部的肱骨关节

肋: 12 对长而弯曲的骨头中的一根，它们附着在胸椎上，向身体前部弯曲形成胸腔

肩胛骨: 扁平的三角形骨位于后胸带

头骨: 支撑面部结构和保护大脑的骨头

胸骨: （也是胸骨）长而扁平的骨头位于胸部前部

tarsal: 脚踝的七根骨头之一

胸笼: （也称胸腔）胸部骨架，由肋骨、胸椎、胸骨和肋软骨组成

胫骨: （也是 shinbone）位于膝盖正下方的腿部的大骨头

尺骨: 骨头位于前臂的内侧（小指侧）

椎柱: （也称为脊柱）环绕和保护脊髓，支撑头部，并充当背部和颈部肋骨和肌肉的附着点