當(dāng)生命消逝之后,骨骼是唯一的遺物,它與大地共存,成為一截堅(jiān)硬的記憶。
動(dòng)物骨骼的出現(xiàn),意義非常重大。特別是脊椎動(dòng)物進(jìn)化出一條縱貫背部的脊柱,從而使它們的運(yùn)動(dòng),無(wú)論在速度還是在靈敏度方面,都獲得了高度的發(fā)展。骨骼可以支撐龐大的軀體,于是出現(xiàn)了鯨、大象、長(zhǎng)頸鹿和恐龍那樣的大型動(dòng)物。對(duì)人類(lèi)來(lái)說(shuō),骨骼的特殊結(jié)構(gòu)使直立成為可能。經(jīng)過(guò)無(wú)數(shù)代的努力,人類(lèi)終于站立起來(lái),不但行動(dòng)自如地踏遍腳下這個(gè)星球,還被頭頂更大的神秘所吸引,從而獲得了天空與宇宙。
軀體的支架
骨骼的第一大功能就是支撐人與動(dòng)物的身體。由于骨骼具有彈性和堅(jiān)固性,使它能成為人與動(dòng)物軀體這座“大廈”的“鋼筋水泥”框架,而肌肉則像一塊塊的“預(yù)制扳”貼附在骨架上,共同維持人與動(dòng)物的形態(tài)。
“硬骨頭”常常用來(lái)形容一個(gè)人的凜然正氣。那么,人的骨頭究竟有多“硬”?有人曾做過(guò)測(cè)試,每平方厘米的骨頭能承受2.1噸的壓力,比花崗石還要堅(jiān)固。骨骼中的有機(jī)物好像鋼筋,組成了網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),分層次地緊密排列,讓骨骼具有彈性和韌性。骨骼中的無(wú)機(jī)物,尤其是鈣和磷結(jié)合而成的羥基磷灰石,能緊密地充填于有機(jī)物的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)里,像水泥一樣,讓骨骼具有硬度和堅(jiān)固性。
經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期自然演化,人與動(dòng)物所具有的不同類(lèi)型的骨骼產(chǎn)生了最優(yōu)的力學(xué)性能,即具有最大的強(qiáng)度、最省的材料、最輕的重量。簡(jiǎn)言之,具有“以盡可能少的材料承擔(dān)最大負(fù)荷”的最優(yōu)力學(xué)特性。
骨骼的這種力學(xué)特性與它的比重和結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。骨骼的密度比鑄鐵小3倍,柔性比鑄鐵大10倍,并具可塑性,承受外力時(shí)可吸收6倍能量。骨骼是由羥基磷灰石和膠原纖維組成的復(fù)合材料,前者抗壓力,后者抗拉力,柔韌的膠原纖維可以阻止脆性斷裂,堅(jiān)硬的礦物質(zhì)成分可克服軟材料的柔性,因此能承受很強(qiáng)的打擊。
骨骼作為復(fù)合材料還具有不均勻性和各向異性,即在同一塊骨骼的不同部位或在同一部位的不同方向,其力學(xué)性能都有很大差別。
骨骼作為一種有生命的材料、一種活的組織,具有不同于其他工程材料的特性,即功能適應(yīng)性?;铙w骨骼會(huì)按其所受應(yīng)力而改變成分、內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外部形態(tài),換言之,骨骼的重建與其所處的力學(xué)環(huán)境密切相關(guān)。
骨骼不斷進(jìn)行生長(zhǎng)、發(fā)育、再造和吸收的過(guò)程就是“骨重建”。骨重建使其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外表形態(tài)動(dòng)態(tài)地適應(yīng)不斷變化的外部力學(xué)環(huán)境。例如,應(yīng)力對(duì)骨骼的改變、生長(zhǎng)和吸收起著調(diào)節(jié)作用,每一塊骨骼都對(duì)應(yīng)一個(gè)最適宜的應(yīng)力范圍,應(yīng)力過(guò)高和過(guò)低都會(huì)使骨骼萎縮。骨骼通常會(huì)在應(yīng)力加大的方向上再造。運(yùn)動(dòng)和功能鍛煉可促進(jìn)骨骼的形態(tài)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,使其變得更加粗壯和堅(jiān)固。骨骼的再生能力較強(qiáng),在受到創(chuàng)傷后能很快修復(fù)。
運(yùn)動(dòng)的杠桿
骨骼的第二大功能是為肌肉提供附著的基礎(chǔ),構(gòu)成一個(gè)連接的、可以運(yùn)動(dòng)的杠桿系統(tǒng)。骨與骨之間大部形成關(guān)節(jié),而肌肉附著在骨上,常??畿S一個(gè)或多個(gè)關(guān)節(jié)。骨骼、關(guān)節(jié)和肌肉3個(gè)密切相關(guān)的部分構(gòu)成人與動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)裝置。人與動(dòng)物各種動(dòng)作的完成,主要是肌肉收縮作用于骨骼的結(jié)果。換句話說(shuō),運(yùn)動(dòng)是以骨骼為杠桿、關(guān)節(jié)為樞紐、肌肉的收縮作為動(dòng)力來(lái)完成的。
人與動(dòng)物四肢的靈活與其有眾多關(guān)節(jié)有關(guān)。關(guān)節(jié)是由兩個(gè)或更多的骨端及多種組織相連接而成。關(guān)節(jié)內(nèi)骨端的表面有一層光滑的軟骨覆蓋。正常情況下關(guān)節(jié)軟骨的存在可以使關(guān)節(jié)在無(wú)痛和無(wú)摩擦的狀態(tài)下運(yùn)動(dòng)。軟骨的摩擦系數(shù)非常小,比冰面還光滑。軟骨的彈性大,起到緩沖的作用。
關(guān)節(jié)的周?chē)欣w維組織——關(guān)節(jié)囊包圍,關(guān)節(jié)囊有一層光滑“內(nèi)襯”——滑膜。關(guān)節(jié)滑膜能夠產(chǎn)生“高級(jí)潤(rùn)滑劑”——關(guān)節(jié)液,可以減少關(guān)節(jié)的摩擦和運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的磨損,并增加關(guān)節(jié)的靈活性。
骨關(guān)節(jié)在長(zhǎng)期適應(yīng)過(guò)程中,發(fā)展了許多有利于加快速度的變化。例如,從椎間關(guān)節(jié)的能動(dòng)性來(lái)看,由只能稍稍擺動(dòng)(魚(yú)的雙凹椎體),到兩椎體間的關(guān)節(jié)比較靈活(兩棲動(dòng)物、爬行動(dòng)物的前凹型和后凹型椎體),最后達(dá)到極其靈活的轉(zhuǎn)動(dòng)程度(鳥(niǎo)類(lèi)的馬鞍型椎體、哺乳動(dòng)物的雙平型椎體),結(jié)合脊柱的分區(qū)與加固使這一支持動(dòng)物身體的重要結(jié)構(gòu)越來(lái)越完善。
動(dòng)物正常的生活和運(yùn)動(dòng)要求骨骼有足夠的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性。強(qiáng)度指骨骼抵抗外力破壞的能力,使動(dòng)物運(yùn)動(dòng)時(shí)不發(fā)生骨折。剛度指骨骼在外力作用下抵抗變形的能力,使骨的形狀和尺寸因受力而產(chǎn)生的變形不超過(guò)正常生活所允許的限度。穩(wěn)定性指骨骼在外力作用下保持原有平衡形態(tài)的能力。
骨骼所受的外力來(lái)自于自身重力、肌群收縮力、肌張力、外力和各種運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的力等。骨骼受力后的變形主要有拉伸、壓縮、剪切、彎曲和扭轉(zhuǎn)等5種基本變形。例如,人類(lèi)進(jìn)行吊環(huán)運(yùn)動(dòng)時(shí)上肢骨被拉伸;舉重運(yùn)動(dòng)員舉起杠鈴后上肢和下肢骨被壓縮;彎腰時(shí)脊柱的彎曲;花樣滑冰時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)作使下肢骨受扭轉(zhuǎn)等等。實(shí)際上,骨骼所受力往往是幾種力的組合。
骨骼在運(yùn)動(dòng)中的受力情況雖然復(fù)雜,但它總是以最優(yōu)的外表形態(tài)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)適應(yīng)其功能,以?xún)?yōu)化的形態(tài)和結(jié)構(gòu)為骨骼自身重建的目標(biāo)。因此,凡是強(qiáng)有力的肌腱附著的骨骼部分,為適應(yīng)受較大應(yīng)力的功能,均形成局部隆起,如骨三角肌結(jié)節(jié)等。
脊椎動(dòng)物的四肢骨骼的典型結(jié)構(gòu),前后肢基本上是一樣的,包括附肢骨與帶骨。在身體前部有前肢骨與肩帶,身體后部有后肢骨與腰帶。水生脊椎動(dòng)物附肢骨是鰭,適于在水中游動(dòng)。鰭分兩類(lèi),一類(lèi)是不成對(duì)的奇鰭,如背鰭、臀鰭和尾鰭;另一類(lèi)是成對(duì)的偶鰭,如胸鰭和腹鰭。奇鰭可以維持身體平衡,還可以幫助游泳。尾鰭的作用除像舵一樣控制游泳的方向,還推動(dòng)身體前進(jìn)。偶鰭的作用是維持身體平衡及改變運(yùn)動(dòng)的方向。
陸生脊椎動(dòng)物的鰭退化,四肢出現(xiàn)。這是多支點(diǎn)的杠桿,不僅整個(gè)附肢可以依軀體做相應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng),而且附肢的各部彼此也可以做相對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng),既堅(jiān)固又靈活,適于載重和沿地面行動(dòng)。哺乳動(dòng)物的四肢出現(xiàn)了肘和膝,將軀體撐起,進(jìn)一步提高了在陸地上支撐和運(yùn)動(dòng)的能力。
鎖骨的存在與否也和運(yùn)動(dòng)方式有密切關(guān)系。一般來(lái)說(shuō),善于跳躍、奔跑的哺乳動(dòng)物的鎖骨大多退化;前肢具有多樣性活動(dòng)的哺乳動(dòng)物,包括用前肢掘土(如鼴鼠)、飛行(如蝙蝠)和攀援(如靈長(zhǎng)類(lèi))的種類(lèi)鎖骨發(fā)達(dá),這樣的前肢在多樣性活動(dòng)中具有更大的堅(jiān)固性。作為靈長(zhǎng)類(lèi)的一員,人類(lèi)的鎖骨也很發(fā)達(dá),從而使前肢可以多方向轉(zhuǎn)動(dòng),活動(dòng)得到了極大的增強(qiáng),在勞動(dòng)和使用工具的行為中發(fā)揮了重要的作用。
骨體中的空腔如同鋼管一樣,不但減少重量,而且可以減少運(yùn)動(dòng)的負(fù)荷。鳥(niǎo)類(lèi)的骨腔內(nèi)具有可充滿氣體的腔隙,使骨骼變得薄而輕便。在體型巨大的動(dòng)物中也有類(lèi)似的適應(yīng)結(jié)構(gòu),例如大象的頭蓋骨雖然很厚,但骨骼內(nèi)充滿了氣孔,可以減輕重量;鯨的骨骼具有海綿狀組織,可以減輕身體的比重,增大浮力。
器官的鎧甲
骨骼的第三大功能是像鎧甲一樣保護(hù)著人與動(dòng)物身體的內(nèi)部器官,使其在劇烈運(yùn)動(dòng)時(shí)能夠保持內(nèi)部穩(wěn)定。身體中那些最重要的柔軟器官,全都獲得了骨骼周到而堅(jiān)強(qiáng)的護(hù)衛(wèi)。這樣,動(dòng)物的身體就經(jīng)得起尋常的磕磕碰碰,甚至較小的意外打擊。
骨骼參與構(gòu)成人與動(dòng)物體內(nèi)一個(gè)個(gè)大小不等的腔室。這些腔室是人與動(dòng)物體內(nèi)各種重要器官的專(zhuān)用“居室”。如顱腔容納腦子,胸腔容納心臟和肺臟,腹腔容納肝脾和胃腸,盆腔容納泌尿生殖器官等。脊柱是軀干的中軸,上承顱骨,下連髖骨,中附肋骨,參與構(gòu)成胸廓、腹腔和盆腔的后壁。在脊柱的中央,有由椎孔連成的椎管,容納和保護(hù)脊髓。正是由于骨骼的保護(hù)作用,上述重要而嬌嫩的臟器,才能在自己的“居室”里安全而舒適地生活和工作。
啄木鳥(niǎo)每天敲擊樹(shù)木500~600次,速度幾乎是音速的兩倍,它的頭部不可避免地受到非常劇烈的震動(dòng),但它既不會(huì)得腦震蕩,也不會(huì)頭痛,因?yàn)樗拇竽X被一層密實(shí)而富有彈性的頭骨緊密地包裹起來(lái),頭骨骨質(zhì)呈海綿狀,形成一個(gè)避震功能極佳的保護(hù)墊,可以有效緩沖外力的撞擊。
人類(lèi)的脊柱前后彎曲呈S形,共有4個(gè)彎曲:頸曲、胸曲、腰曲和骶曲,它和被達(dá)芬奇稱(chēng)為“工程學(xué)上的杰作”的由跗骨與跖骨借韌帶和肌腱相連所形成的足弓一起,起著彈簧的作用,減少行走時(shí)震動(dòng)對(duì)腦的沖擊,這些都是對(duì)人類(lèi)進(jìn)化到直立行走的一種適應(yīng)。
除此之外,有些動(dòng)物甚至整個(gè)身體都被骨骼所保護(hù),如龜鱉類(lèi)的身體被包在堅(jiān)固的骨質(zhì)甲殼之內(nèi);犰狳的身體外面也有一層由小骨片組成的、如瓷磚般排列的骨質(zhì)鱗片,如同硬甲一般,前段和后段的骨質(zhì)鱗片連成像龜甲一樣的整塊結(jié)構(gòu),不能伸縮,中段的鱗片呈條帶狀環(huán)繞而形成“絆”,有筋肉相連,可以自由伸縮,從而增加了身體的靈活性,快速奔跑也絲毫不受影響。
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