15.1动物的骨骼
1、多种类型的骨骼
动物的骨骼具有多种功能：运动，维持形态、保护动物内部器官(如脑、内脏等)。
骨骼可分三类:液压骨骼、外骨骼和内骨骼。
液压骨骼是最简单的骨骼。
- 它是在密闭的体内腔室中充满液体所形成的,好像一个橡皮气球灌满水以后将出口结扎便可以挺立起来一样。
- 在刺胞动物、扁形动物、线虫动物和环节动物中都存在液压骨骼。
- 这些动物通过肌肉收缩改变充满液体的腔室的形状,使动物运动或改变体形。
- 例如,水螅关闭口部并使体壁上的收缩细胞收缩,导致消化循环腔(胃水管腔)收缩。由于水的体积不能压缩,消化循环腔的直径缩小就会使体腔和触手伸长。
- 蚯蚓一类的环节动物的体腔被分隔成一节一节的,各节的体壁上有环行肌和纵行肌。环节动物可以使这两种肌肉分别收缩以改变各节的形状。因此,液压骨骼使环节动物通过蠕动而向前运动。
外骨骼是包裹在动物体表的坚硬的外壳。
- 例如,大多数软体动物的体外都有由外套膜分泌形成的钙质壳。
- 节肢动物的外骨骼是由表皮分泌的含几丁质的角质层。
内骨骼是在动物软组织内的坚硬的支撑物。
- 海绵动物体内有坚硬的骨针。
- 棘皮动物在皮下有坚硬的骨片。
- 海胆的内骨骼是紧密连接的骨片,
- 而海星的骨片连接较松,动物可以改变其臂的形状。
- 脊索动物的内骨骼是由骨和软骨构成的。
2、脊椎动物的骨骼系统
脊椎动物的骨骼系统有明显的特征:
- 有明显的头骨以保护头部的中枢神经系统;
- 脊椎代替了脊索,成为身体的主要支持结构;
- 除圆口类外,都有上、下颌骨;
- 除圆口类外都有成对的附肢骨。
15.2人类的骨骼1、人类骨骼的组成
人体全身共有骨206块,约占成年人体重的20% ,由骨连接结合成骨骼。
骨骼按其所在部位可分为颅骨、躯干骨和四肢骨。
- 颅骨包括脑颅骨、面颅骨和内耳中的听小骨共29块。
- 躯干骨包括脊柱、胸骨和肋骨,共51块。
- 四肢骨又分上肢骨和下肢骨。
2、全身200多块骨头是如何连接在一起的
全身的206块骨通过骨连接形成一个整体。
颅骨各骨之间多以骨缝连接,不能活动;各椎骨之间以椎间盘相连,活动范围也较少,这都属于直接连接。
骨与骨之间多数通过关节( joint)相连接,称为间接连接。
- 组成关节的相邻两骨的接触面称为关节面，一般是一个凸面与另一个凹面相互适应。
- 关节面上有一层软骨,关节面周围由致密结缔组织构成的关节囊包围，关节囊内有一层柔软的滑膜,滑膜分泌滑液润滑关节,减少摩擦。
- 关节囊中有密闭的关节腔。
- 关节外由韧带加以固定。
肌肉跨过关节以肌腱附着在两块不同的骨面上。肌肉收缩时,牵引关节使骨位移,产生运动。
- 人体上肢需要进行灵活的运动,连接肩胛骨和肱骨的肩关节是全身最灵活的关节。肩关节中肩胛骨关节面凹陷浅、关节囊较松、韧带较弱,儿童活动不适当时,这个关节的凸凹两面脱位,形成脱臼。
- 连接下肢的髋关节稳定性大,不易脱臼,但灵活性小。
- 膝关节是人体内最复杂的关节,在股骨与胫骨关节面之间有小块髀骨,两侧有纤维软骨组成的有弹性的半月板,运动不当时半月板可撕裂。
3、骨的结构和成分
骨的大小、形态各异,但构造和成分基本相同。
骨由骨膜、骨质和骨髓构成。
- 在骨表面有一层由致密结缔组织形成的骨膜,骨膜中有丰富的血管和神经。
- 骨膜内侧的骨质是骨的主要成分,由骨细胞与基质构成，分骨密质和骨松质两部分。
- 骨密质由排列规则的骨板组成,致密而坚实;
- 骨松质由片状或针状骨小梁构成,呈海绵状。
- 长骨的骨干部分有很厚的骨密质,中为骨髓腔。长骨两端和短骨﹑扁骨表面都有一层骨密质,中心部为骨松质。
- 骨髓腔和骨松质的空隙中充满骨髓。幼年时期全部为红骨髓,长大后骨髓腔中的红骨髓逐渐被黄骨髓代替,但骨松质中的红骨髓可保持终身。红骨髓有造血功能,黄骨髓主要为脂肪组织,无造血功能。
骨质是由钙盐和骨胶构成的。
- 骨细胞分泌的胶原物质形成胶原纤维,胶原纤维有很强的抗张强度,钙盐逐渐沉积其上。
- 钙盐成分像大理石,耐压力。因此,骨质的化学成分使得它很像钢筋混凝土,既抗张力又耐压力。
- 儿童的骨组织中钙盐相对少,骨胶成分多,弹性大,可塑性大,容易变形。
- 老年人骨组织中钙盐相对增多,弹性小,易发生骨折。
进入成年以前,骨是不断生长的。
- 骨膜内层的成骨细胞不断形成新的骨质,使骨不断加粗,破骨细胞又不断破坏骨质并加以吸收,在长骨中央形成骨髓腔。
即使在成年以后,骨也在不断地进行着新陈代谢,不断地分泌基质和沉积钙盐,而钙盐等又不断地被溶解和吸收。
- 因此,骨在不断的建造中,使它的强度和形状更适合所负荷的力。经常进行体育锻炼可使骨骼粗壮坚实。
骨是身体中最大的钙库,贮存着体内99%的钙，参与血液钙离子浓度水平的调节。
- 维持血液中正常的钙离子浓度不仅关系到骨骼的健康成长,还关系到血液的凝固、肌肉的收缩、神经冲动的传导等重要的生理机能。
- 血液中钙离子浓度水平受到甲状旁腺分泌的甲状旁腺激素和甲状腺滤泡旁细胞分泌的降钙素的调节。
- 如果儿童饮食中缺少维生素D或钙盐,破骨细胞便会溶解更多的骨钙来补充血钙，时间长了这些儿童将患佝偻病。
4、骨质疏松症是老年人的常见病
骨质疏松症是骨质变得疏松以至可以在轻微外力作用下发生骨折的病症。
- 在骨质疏松症患者体内,原来组成骨松质间隔的细小坚硬的骨片变薄了,变成小棒状,其间腔隙变大,使骨头的孔隙更多，密度和强度都变小。因此,这些变轻变脆的骨头容易在轻微的外力下出现骨折。
- 脊椎中许多细小的压缩性骨折积累起来便会使脊背弯曲,形成在许多老年骨质疏松症患者身上常见的驼背和屈身的姿态。
- 髋骨和前臂骨也特别容易骨折。
- 骨质疏松症的其他症状是身高降低和背痛。
骨质疏松症起因于体内新形成的骨量低于被吸收的骨量。
- 骨总量在刚进入成年时达到顶峰,其后是个稳定期。
- 但从40岁前后开始又出现一个缓慢的减少过程。
- 这是因为随着年龄的增长,人体吸收膳食中钙质的效率在降低,长期钙摄入量不足。钙的缺乏导致从骨中吸收的钙量增加,而骨中钙储备减少时,骨质也就减少。
妇女容易发生骨质疏松症还另有原因:
- 首先,男人的骨总量较女人的大,所以随着年龄增长而不可避免地丢失骨质时,男人的骨仍然密度较高。
- 其次,妇女到绝经期因缺乏雌激素和其他性激素,所以骨质丢失的速度更快。
- 因此骨质疏松症最常见于50岁以上的妇女中。
造成骨质疏松的原因除长期钙摄入量不足外,缺少运动也是重要原因。长期卧床不起的人骨骼中的钙储备每月会损失0.5% ,这主要是腿部承受重量不足，减少了对形成骨骼的刺激。
15.3 肌肉与肌肉收缩1、肌肉的结构种类
肌肉主要功能是产生运动,还释放热量。
人体的肌肉分为骨骼肌、心肌和平滑肌三类。
骨骼肌一般都是通过肌腱附着在不同长骨的端点以运动骨骼而得名。
- 在显微镜下观察骨骼肌可以看到明暗交替的横纹,因此又称横纹肌。
- 人体还能通过中枢神经系统有意识地控制骨骼肌的运动,因而又称随意肌。
- 人体骨骼肌有600多块,约占成人体重的40% ,包括头颈肌、躯干肌和四肢肌。
- 多数的肌肉中部比较粗大,称为肌腹,由大量肌纤维(肌肉细胞)组成,红色,有弹性,可以收缩,
- 肌肉两端为肌腱或肌膜,由致密结缔组织构成,色白而坚韧,不能收缩。
心肌构成心脏,也有横纹,但不能随意控制其活动。
平滑肌是内脏的组成成分,没有横纹,也不能随意控制其活动。
2、肌肉细胞的收缩
- 构成骨骼肌的细胞称为肌纤维。
- 肌纤维是由若干肌原纤维平行排列构成的。
- 肌原纤维是由粗肌丝和细肌丝组成的肌节构成的。
- 粗肌丝由肌球蛋白组成,又称肌球蛋白丝。
- 细肌丝主要由肌动蛋白组成,又称肌动蛋白丝。
肌原纤维上有折光性不同的明带和暗带相间排列,形成骨骼肌的横纹。暗带处有粗肌丝和细肌丝平行排列着,明带处只有细肌丝平行排列着。
骨骼肌收缩的分子生物学机制是肌丝滑动学说( sliding filament theory),肌纤维的缩短是肌节中粗肌丝和细肌丝相对运动的结果。当细肌丝滑行伸入粗肌丝丛中时,明带变窄而暗带宽度不变。引起肌丝滑行的结构是从粗肌丝上突起的横桥。
其过程大致如下:
①运动神经末梢将神经冲动传递给肌膜；
②肌膜的兴奋经横小管迅速传向终池；
③肌浆网膜上的钙泵活动,将大量Ca2 转运到肌浆内;
④肌原蛋白与Ca2 结合后,发生构型改变，进而使原肌球蛋白位置也随之变化;
⑤原来被掩盖的肌动蛋白位点暴露,迅即与肌球蛋白头接触;
⑥肌球蛋白头ATP酶被激活,分解了ATP并释放能量；
⑦肌球蛋白的横桥摆动，将肌动蛋白拉向M线;
⑧细肌丝向A带内滑入，I带变窄，A带长度不变,但H带因细肌丝的插入可消失，由于细肌丝在粗肌丝之间向M线滑动，肌节缩短，肌纤维收缩;
⑨收缩完毕，肌浆内Ca2 被泵入肌浆网内，肌浆内Ca2 浓度降低，肌原蛋白恢复原来构型，原肌球蛋白恢复原位又掩盖肌动蛋白位点，肌球蛋白与肌动蛋白脱离接触，肌纤维则处于松驰状态。
每次横桥摆动引起的肌丝位移很小，一次肌肉收缩，横桥要更换与细肌丝的接触位点反复摆动多次。
ATP能量补充有几个来源:可以从贮存高能量的其他物质中将能量转移过来,如磷酸肌酸(CP) ;也可以通过氧化磷酸化或无氧酵解,使能源物质释放出能量。
肌节的Z线、I带、A带、H带、M线分别是：
- Z线：明带中央那条深色的线。
- I带：明带是指横纹肌肌节中的单折光带，只含细肌丝。
- A带：暗带由A肌丝和I肌丝的前一部分组成。
- H带：暗带中央因仅有粗肌丝而无细肌丝所致着色略浅的带状结构。
- M线：横纹肌肌原纤维暗带中央的宽为40~80毫微米的间隔。
3、骨骼肌运动的控制
骨骼肌的活动是由神经系统控制的。
- 从脊髓运动神经元发出的传出神经支配若干个肌纤维,组成一个运动单位。
- 当脊髓运动神经元受到刺激而进入兴奋状态时,便会发出神经冲动沿传出神经到达它所支配的肌纤维,引起它们的兴奋,再由兴奋而收缩。
由骨骼肌组成的肌肉系统,其活动在大多数情况下可以由主观意识控制。
- 例如,呼吸运动是由有关的肋间肌和膈肌完成的,在一般情况下,我们可以有意识地加大或减小,加快或减慢有关呼吸肌的收缩或舒张,使呼吸运动加深或变浅,加速或延缓。
- 声乐家有意识地控制他们的呼吸,才能演唱出美妙的歌声。
但是并不是在任何情况下主观意识都可以对骨骼肌进行控制。
- 例如,任何一个人屏住呼吸的时间是有限的。
- 又如天气太冷时身体不由自主地战栗,这是骨骼肌发生不随意的反射性节律收缩，屈肌和伸肌同时收缩。这种收缩所释放的能量不能做功,绝大部分转化为热能释放,可以增加体温。
15.4骨骼与肌肉在运动中的相互作用肌肉收缩分为两类：
- 一类是收缩时肌肉的长度发生变化,肌肉张力几乎不变，称为等张收缩，肢体自由屈曲,主要是等张收缩；
- 另一类是收缩时肌肉的张力发生变化,而长度几乎不变,称为等长收缩，用力握拳,主要是等长收缩
- 一般的躯体运动都不是单纯的等张收缩或等长收缩,而是两类收缩不同程度的复合。
人体的运动一般都由一块以上的肌肉完成。
- 要完成屈肘动作时，肱二头肌收缩时，肱三头肌舒张；
- 要完成伸肘动作时，肱三头肌收缩，肱二头肌舒张。
- 因此,肱三头肌和肱二头肌在屈肘和伸肘运动中起颉顽作用,称为颉顽肌。
在人体内骨骼肌、骨骼和关节构成不同的杠杆系统,只有通过这些杠杆系统,人体才能完成各种运动和劳动。
