ระบบโครงกระดูกและกล้ามเนื้อ (สัตววิทยา)

สัตว์ต่างๆ พยุงร่างกายและเคลื่อนไหวโดยอาศัยโครงกระดูกและกล้ามเนื้อทำงานร่วมกัน ไม่ว่าโครงกระดูกนั้นจะเป็นช่องว่างที่เต็มไปด้วยของเหลว เปลือกภายนอก หรือกระดูกภายใน

Definition

ระบบโครงกระดูกและกล้ามเนื้อคือโครงสร้างที่พยุงร่างกายของสัตว์และสร้างการเคลื่อนไหว: โครงกระดูกให้โครงสร้างที่แข็งแรงหรือไฮโดรสแตติกและการป้องกัน และกล้ามเนื้อคือเนื้อเยื่อที่หดตัวได้ซึ่งเคลื่อนไหวส่วนต่างๆ ของร่างกายโดยการดึงโครงสร้างนั้น

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมระบบการพยุงและการเคลื่อนไหวของสัตว์ทั่วทั้งอาณาจักร โดยอธิบายโครงกระดูกหลักสามประเภท ได้แก่ โครงกระดูกไฮโดรสแตติกของสัตว์ที่มีลำตัวอ่อนนุ่ม โครงกระดูกภายนอกของสัตว์ขาปล้องและหอยหลายชนิด และโครงกระดูกภายในของสัตว์มีกระดูกสันหลังและสัตว์ทะเลผิวหนาม และวิธีการที่แต่ละประเภทให้การพยุง การป้องกัน และเป็นโครงสร้างให้กล้ามเนื้อทำงาน นอกจากนี้ยังกล่าวถึงกล้ามเนื้อในฐานะแหล่งกำเนิดการเคลื่อนไหวของสัตว์ และอธิบายการทำงานร่วมกันแบบคานงัดของกล้ามเนื้อและองค์ประกอบของโครงกระดูก

Core questions

• โครงกระดูกของสัตว์มีกี่ประเภทหลัก และแต่ละประเภททำงานอย่างไร?
• กล้ามเนื้อและโครงกระดูกทำงานร่วมกันอย่างไรเพื่อสร้างการเคลื่อนไหว?
• เหตุใดสัตว์ที่มีลำตัวอ่อนนุ่มจึงต้องพึ่งพาโครงกระดูกไฮโดรสแตติก?
• ข้อดีข้อเสียของโครงกระดูกภายนอกเทียบกับโครงกระดูกภายในคืออะไร?

Key theories

โครงกระดูกสามประเภท

การพยุงร่างกายของสัตว์มีสามรูปแบบหลัก ได้แก่ โครงกระดูกไฮโดรสแตติกที่เกิดจากของเหลวภายใต้แรงดันกล้ามเนื้อ โครงกระดูกภายนอกที่แข็งซึ่งหลั่งออกมานอกร่างกาย และโครงกระดูกภายใน ซึ่งแต่ละประเภทให้การพยุงและเป็นฐานสำหรับการทำงานของกล้ามเนื้อโดยมีข้อดีที่แตกต่างกัน

ระบบคานงัดของกล้ามเนื้อและโครงกระดูก

กล้ามเนื้อสามารถดึงได้เท่านั้น ดังนั้นการเคลื่อนไหวจึงต้องอาศัยกล้ามเนื้อที่จัดเรียงเป็นกลุ่มตรงข้ามกันซึ่งทำงานผ่านข้อต่อหรือช่องไฮโดรสแตติก โดยมีองค์ประกอบของโครงกระดูกทำหน้าที่เป็นคานงัดที่เปลี่ยนการหดตัวเป็นการเคลื่อนไหวที่มีจุดประสงค์

Mechanisms

โครงกระดูกไฮโดรสแตติกใช้ช่องที่เต็มไปด้วยของเหลวซึ่งรักษาปริมาตรให้คงที่; กล้ามเนื้อวงกลมและกล้ามเนื้อตามยาวที่หดตัวต้านของเหลวจะเปลี่ยนรูปร่างของร่างกาย ทำให้หนอนและสัตว์ลำตัวอ่อนนุ่มอื่นๆ สามารถขุดและคลานได้ โครงกระดูกภายนอกคือเปลือกแข็งด้านนอก เช่น เปลือกไคตินของสัตว์ขาปล้อง ซึ่งป้องกันร่างกายและให้พื้นผิวภายในสำหรับยึดเกาะของกล้ามเนื้อ แต่ต้องมีการลอกคราบเพื่อการเจริญเติบโต โครงกระดูกภายในอยู่ภายในร่างกาย ทำจากกระดูกอ่อนและกระดูกในสัตว์มีกระดูกสันหลัง หรือกระดูกขนาดเล็กที่เป็นหินปูนในสัตว์ทะเลผิวหนาม และเติบโตไปพร้อมกับสัตว์ในขณะที่รองรับขนาดร่างกายที่ใหญ่ได้ ในทุกกรณี กล้ามเนื้อซึ่งสร้างแรงได้โดยการหดตัวเท่านั้น จะถูกจัดเรียงเป็นชุดที่ทำงานตรงข้ามกัน เพื่อให้การหดตัวของกลุ่มหนึ่งเคลื่อนคานกระดูกไปในทิศทางหนึ่ง และการหดตัวของกลุ่มที่ตรงข้ามกันจะทำให้เกิดการเคลื่อนไหวกลับ

Clinical relevance

การศึกษาเปรียบเทียบโครงกระดูกและกล้ามเนื้อเป็นพื้นฐานของชีวกลศาสตร์ การสร้างแบบจำลองการเคลื่อนที่ของสัตว์ที่สูญพันธุ์ไปแล้ว และวิศวกรรมที่ได้รับแรงบันดาลใจจากชีวภาพ นอกจากนี้ยังเป็นรากฐานเชิงเปรียบเทียบสำหรับการทำความเข้าใจระบบกล้ามเนื้อและกระดูกของสัตว์มีกระดูกสันหลัง นี่คือบริบททางการศึกษา ไม่ใช่คำแนะนำทางการแพทย์

History

การวิเคราะห์เชิงกลของการเคลื่อนไหวของสัตว์เริ่มต้นขึ้นกับ Borelli ซึ่งถือว่ากล้ามเนื้อและกระดูกเป็นคานงัดในศตวรรษที่สิบเจ็ด นักสัตววิทยาในศตวรรษที่ยี่สิบ รวมถึง James Gray ได้ศึกษาฟิสิกส์ของการเคลื่อนที่ของสัตว์ และ Sidnie Manton ได้วิเคราะห์การออกแบบเชิงหน้าที่ของโครงกระดูกและรยางค์ของสัตว์ขาปล้อง ซึ่งเป็นการวางรากฐานชีวกลศาสตร์เชิงเปรียบเทียบของการพยุงและการเคลื่อนไหวที่ใช้ในสัตววิทยาในปัจจุบัน

Key figures

• Giovanni Borelli
• Sidnie Manton
• James Gray

Seminal works

• hickman2020
• kardong2019

Frequently asked questions

โครงกระดูกไฮโดรสแตติกคืออะไร?

เป็นระบบพยุงที่กล้ามเนื้อทำงานต้านช่องว่างในร่างกายที่เต็มไปด้วยของเหลวซึ่งรักษาปริมาตรให้คงที่ เพื่อให้กล้ามเนื้อที่หดตัวเปลี่ยนรูปร่างของร่างกาย; ไส้เดือนและสัตว์ลำตัวอ่อนนุ่มอื่นๆ จำนวนมากเคลื่อนไหวด้วยวิธีนี้

เหตุใดกล้ามเนื้อจึงต้องทำงานเป็นคู่ตรงข้ามกัน?

เนื่องจากกล้ามเนื้อสามารถสร้างแรงได้โดยการหดตัวและดึงเท่านั้น จึงจำเป็นต้องมีกล้ามเนื้อหรือกลุ่มกล้ามเนื้อที่ตรงข้ามกันเพื่อเคลื่อนส่วนของโครงกระดูกกลับ ดังนั้นการเคลื่อนไหวที่ข้อต่อหรือช่องไฮโดรสแตติกจึงขึ้นอยู่กับกล้ามเนื้อที่ทำงานตรงข้ามกัน