骨骼，支撑身体的“桥梁”

汇编|青色

骨骼，支撑身体的“桥梁”

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在人体这个无比精密的高级机器中，一个人能自由地来回走动、跑跑跳跳，任何一个动作，都需要支撑，而这个支撑中的头号功臣莫过于骨头了。它们作为人类身体的支架，支撑着肉身上的肌肉、脂肪、神经等等，如果人类没有骨骼，或许就跟章鱼一样，一摊肉软绵绵地躺在地上了。此外，骨头还能保护我们的身体器官免受伤害，比如头颅保护了脑部，肋骨保护了胸腔。

那么，骨头会有哪些秘密呢？

我们这200多块骨头

我们的骨头是大自然的一个奇迹。基本上人类骨骼由206块骨头组成，像一个巨大的拼图。婴儿出生时有270多块骨头，但在成长过程中，有些融合在一起了。

但你知道吗？206块是针对全世界人类总体而言的，你身上的骨头并不一定是这个数目。调查表明，欧美绝大多数人有206块骨头，但中国大多数人只有204块骨头。这是由于很多中国人的脚上第5趾骨为2块骨头，而欧美人有3块。每只脚少1块骨头的话，当然只会有204块了。

骨头约占我们体重的14%，是人体最重要的器官之一。每一根骨头都是更大“组织”的一部分，比如大腿骨是大腿的一部分，大腿骨是最长最重也是最结实的骨头，它通常占人体高度的27%左右，也就是说假如你身高1.7米，那么你的大腿骨约为0.46米。无论是站立、行走还是跑步，我们都需要大腿骨来支撑人体的重量，它的球形末端嵌入了髋关节的“窝”内，使双腿能够移动。

人体中的骨头通过筋、肌肉和软骨连接到一起，形成复杂的网络，就像是交响乐团。而交响乐团的指挥是脊柱，脊柱将所有的骨骼部件组合在一起，并赋予我们身体弹性。它使我们能直立，它又像一个大型弹簧，能减少颠簸，据说脊柱的减震能力比一辆卡车上的减震器还要好。

骨头的结构不同凡响

骨头的成分之一是矿物质化的骨骼组织，其内部是坚硬的蜂巢结构，这是一种精巧的结构，使得骨头具有很强的抗破裂能力，还减轻了很多重量，不会很笨重。这样的蜂巢网络很坚实，并且它就像是一座盖不完的房子，需要不断地由破骨细胞和成骨细胞的破坏与重建来更新。

蜂巢网络内还有一种高度发达的“蜂巢沟”结构，能让冲击力沿着骨头消散。比如我们在打篮球时，“蜂巢沟”结构很容易地消弱篮球运动带来一些冲击力。

骨头这种结构第一次是在距今5.3亿年前进化出来的。那是一个被称为寒武纪生命大爆发的时期，那时出现了第一批脊椎动物，包括鱼、鸟、两栖动物、爬行动物和哺乳动物。它们都有一个主心骨、一个胸腔，身体的一端有嘴，另一端有肛门。今天有超过5万种脊椎动物物种，所有的变化都是在这原始古老骨骼的基础上发展而来，从小小的蜂鸟到巨大的蓝鲸。

而有趣的是，按体重计算的话，其实蜂鸟比鲸鱼有着更大比例的骨架，蜂鸟胸骨的大小几乎相当于蜂鸟本身的大小，突出的胸部像船的龙骨。蜂鸟的飞行肌肉能使微小的翅膀每秒振动80次，而它的“大型”骨架能够轻松应付这频繁振动所产生的巨大负担。

相比之下，蓝鲸的骨骼是一种相对柔软的结构。我们知道，蓝鲸是世界上最大的动物，一般体长可达到24～34米，体重可达150～200吨，相当于2 000～3 000个成人的重量。如此巨大的蓝鲸生活在海洋里，它的重量由水支撑，因此骨头极其柔软、多孔，还充满油脂。这样的骨头在水中是非常理想的，多孔富油的骨头为鲸鱼提供了必要的浮力，能帮助它在水里生活。如果一只蓝鲸搁浅了，它的骨头通常会断裂，因为没有水的支撑，蓝鲸的骨骼几乎不能支撑200吨的体重。

骨头一直很活跃

骨头可能看起来像一块没有生命的“硬石头”，但它们实际上是活着的，而且非常活跃：它们能生长，并产生血细胞，红血细胞是在红骨髓中产生的。当细胞成熟时，它们从骨髓中迁移到血液里，并将氧输送到全身。

骨中的主要成分是磷酸钙和骨胶原，分别占其质量约70%和30%。磷酸钙也是牙齿的主要成分，这种物质使骨头跟牙齿都变得坚硬，但过刚易折，这也是骨头脆弱的地方，而骨胶原则恰好能抵消这种脆弱。骨胶原具有一种扭曲的结构，类似于钢铁电缆，即使在一万倍重量的负荷下，它也不会撕裂。它环绕着骨头里坚硬的矿物磷酸钙，创造一个稳定的结构网络，使骨头既有韧度又有硬度。

骨组织的细胞成分包括骨原细胞、成骨细胞、骨细胞和破骨细胞。其中成骨细胞和破骨细胞是一对欢喜冤家，这两种硬骨细胞会不断地、反复进行建造和破坏骨骼的工作。

一根骨头有厚厚的壁，里面是骨髓腔，容纳着骨髓。在人成长过程中，骨会不断加粗，就是因为在骨的外壁的骨膜层内有成骨细胞，它们不断转化为骨细胞，附在骨外侧，使骨增粗。骨粗了，骨髓腔也要扩大。于是，骨髓腔内的破骨细胞就使骨内腔壁分解破坏，使骨髓腔扩大。老年人都有不同程度的骨质流失，所以易发生骨折，这与破骨细胞的活动不无关系。

骨原细胞是骨组织中的干细胞，它能改建或修复骨组织，能治愈骨折，这个特点使我们区别于无脊椎动物。比如说蜗牛，构成它们“外壳房子”的原材料不包括细胞，如果蜗牛的壳被人踩到、压到从而破碎了，那就没有希望自我恢复，算是被彻底毁掉了。然而，假如人类骨头完全折断，会留下暴露的骨髓。骨原细胞可以修补这种骨折，大约三个月后，骨头将会完全再生。

很难想象骨头是有生命、能生长的组织，骨头是怎么生长的呢？

骨头循独特的方式生长：首先是新细胞形成，然后，这些细胞产生一种特殊的有机物，成为环绕自身的基质，最后，钙盐在基质里沉积，使之逐渐变硬。人的骨头，早在胎龄二月时就开始形成。此后不断生长，女子到16岁左右骨头才停止生长，男子则长到18岁左右。胸骨至25岁左右就不再硬化，但其他骨头的强度和钙量仍不断增加，直到35岁左右才停止。在人的大半生中，骨头不断改造，骨组织不断耗损和补充。

在胎儿时期，骨头的形成方式有两种。颅顶的骨头是在结缔组织膜里开始生长的，其他骨间大多始于“雏型”软骨。雏型软骨与真骨相似，只是比较柔软，宜于快速生长，最终被真骨替代。雏型软骨是逐渐由骨组织替代的。长骨的替代过程由骨干中心和骨的两端开始；最终在骨干和两端之间只留下一层薄薄的软骨，称为生长板。生长板不断形成新的软骨，软骨随后又被真骨代替，于是骨头得以生长。一旦生长板不再形成软骨，骨头也就停止生长。

骨骼保护从小开始

孩子在发育过程中身体骨骼的各大部位最容易变形，这就犹如一个形象的比喻：“中国的盆景是怎样造出来的，那就是在植物幼嫩期通过铁丝去固定它的造型而形成的。因此，我们需要从小开始注意我们的孩子的骨骼健康。”

补充足量的钙

身体里99%的钙都储存在骨头和牙齿里，它们支撑着你的身体；而另外的1%则在血液里，这1%也扮演着相当重要的角色，例如控制肌肉收缩、血液凝结、荷尔蒙分泌，这些对于生命都非常重要。而如果你的饮食中钙不够的话，你的身体就需要从骨骼中汲取钙的“存量”，以维持血液中的钙含量。天长地久，这种稀缺就导致了骨骼的疏松。其实日常饮食就是最好的补钙渠道。一杯牛奶或酸奶含300毫克的钙，一天喝3杯，钙的量就够了。一些绿叶蔬菜，例如羽衣甘蓝也含有丰富的钙，还有豆浆、高钙饮料等。

选择合适的运动

理论上说，所有运动都有利于健康，但并不是所有的运动对增进骨骼的健康同等有效。最好选择那些承重运动，例如走路、跳舞、慢跑、爬楼梯或举重。因为当你跳跃、奔跑或举重时，你的骨骼承受了压力，你的身体就会受到一个需要增强骨骼的信号，并开始制造新的细胞以强壮骨骼。但是在骨骼比较脆弱的儿童期和第二次生长突增期负重锻炼要适度，不然容易影响身高的增长。

多进食含维生素D的食物

维生素D的作用相当于钙类稳定剂，它能促进我们吸收食物中的钙，并锁定到骨骼中。维生素D的来源有两个：太阳，紫外线与皮肤中的化学成分相互作用产生维生素D；食物，包括蛋黄、鲑鱼、金枪鱼、动物肝脏等食物中都含有维生素D。

有超级骨头吗

电影《不死劫》中，两列疾行的火车相撞之后，131名乘客不幸遇难。大卫是唯一的幸存者，他被送进了医院的急诊室，经过一番抢救，他终于苏醒过来。令人吃惊的是大卫全身上下竟然没有一点伤痕。

现实生活中也有一位这样的“大卫”，他叫托比·史密斯，当他驾驶摩托车，加大油门想要超车时，很不幸被对面突然出现的卡车撞倒，这一切都发生得很快：瞬间的碰撞、摩托车倾斜、失重，然后醒来他就在重症监护室，睁开眼睛看到的是表情震惊的医护人员。医护人员之所以震惊，是因为这样的事故应该把史密斯整个身体都摔碎了，但令人惊讶的是，史密斯身体“很好”，撞车事故竟然没有使他的任意一根骨头发生骨折、破碎。

而医生发现史密斯有非常高的骨密度，足以称为“坚不可摧”的骨头。

为什么史密斯有这样神奇的骨头呢？耶鲁大学的遗传学家对此非常感兴趣，他们研究了史密斯整个家族的基因，发现其中7位家庭成员的骨头与史密斯一样牢不可破。

这个家庭的高骨密度是由单个基因的突变引起的，那些受突变基因影响的人，没有一根骨头曾被折断过。但是高密度骨头也有一个缺点，就是游泳可能要比普通人更费力，因为骨头太重了，容易沉下去。

你是不是也希望像托比·史密斯一样拥有牢不可破的骨头？但实际情况是，当人类20多岁的时候，平均骨密度达到顶峰；到了30岁的时候，骨头会变弱，因为身体内的磷酸钙会减少。据估计，30%的女性绝经后有骨质疏松症，因为激素改变了骨头。在骨质疏松症患者的骨头中，蜂窝结构中的孔更大，这意味着更容易骨折。

这就引出了一个问题：为什么人类没有进化出超级骨骼？

研究人员认为，如果要进化的话，第一步可能是基因突变，就像史密斯家族中的那7人一样。但是基因只会在发生突变的少数人群中传播，过程相当缓慢。此外，从进化角度来说，拥有坚不可摧的骨头的人，在生存上并没有多大的优势，对生活也没有很大的帮助。

有关骨头的冷知识

1.人体骨头能承受多重的力量？

德国柏林的学者曾做了一项实验，发现木头能承受224千克的重量，钢管能承受255千克，而骨头则达642千克。但要注意，不要以为你能承受这么重的重量，毕竟你不仅仅由骨头构成。

2.人体中最坚韧的骨头在哪里？

手肘？膝盖？脚踝？都不是，人体200多根骨头中，最坚韧的骨头要数岩骨了（或称为颞骨岩部）。它的重量只有几克，它包裹住我们的内耳，所属的位置不是巧合，因为那里是重要的听力和平衡器官所在的地方。即使是拳王最有力的一拳击打在脸部，也不足以破坏岩骨。

只有最严重的冲击，如汽车或摩托车事故才有可能破坏它。

3.骨头会不会痛？

骨头的外表面是被称为骨膜的血管膜，其包含了许多神经，能感知骨骼是否处于极度压力的情况，比如骨折了。但其实骨本身没有神经，因此它们完全不能感知疼痛。

4.可塑性极强的婴儿头骨

头骨（颅骨）可分为两个部分：脑颅和面部骨骼。脑颅包围着我们的大脑，就像在大脑外面的一套盔甲。面部骨骼由一系列单独的骨骼组成，由缝线和囟门相互连接。

婴儿的缝线是由软骨构成，所以他们的头骨可塑性非常强。这就是为什么婴儿在刚出生时，头部会塑造不同的形状来适应妈妈的产道，顺利通过出生的“运河”。

5.零重力如何改变骨头？

在地球上，无论是白天还是晚上，人类的骨骼必须随时防止身体被重力压垮。但在太空中没有重力“压”着椎间盘，这使得脊柱会增长达4厘米左右。太空中并不需要一个强大的骨骼来支撑身体，因此，身体会逐渐清除体内的矿物质，骨头慢慢变得脆弱和萎缩。而阳光的缺乏则加剧这种情况。最多在零重力环境中生活4年后，骨头即使是在很微小的外力作用下，也会发生断裂。

6.世界上骨头最多的动物是什么？

海参是世界上骨头最多的动物，全身骨头多达2 060多万块，只是这些骨头小得用肉眼看不见，要在显微镜下放大几十甚至几百倍才能看见。由于骨头这么小，所以我们吃的时候就不会有感觉了。

7.人体里最长的骨头是哪块？

人体里，最长的骨头是股骨，位于双侧大腿部，它通常占人的身长的27.5%，一个身高1.83米的人，股骨大约为50.17厘米。

据记载，股骨最长的是1902年3月30日去世的德国巨人康士坦丁，他的股骨长75.95厘米，有史以来最高的巨人罗伯特·沃德罗的股骨据估计有74.93厘米。

8.为什么海洋动物的骨骼不如陆地动物坚固？

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，透过关节，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、脊髓和心脏，行动方便快速，并且体形较大。

建筑中的骨骼应用

每当论及工程学，我们总能从人体骨骼中受益不少。提到骨骼在建筑中的应用，就不得不提到埃菲尔铁塔。埃菲尔设计出了一个牢固到能够支撑所有的元素、同时又和其周围空气差不多轻的结构——埃菲尔铁塔，他是如何做到的呢？

要想回答这个问题，就得理解一些高强度结构，方法就是研究人体内部。通过研究人体骨骼，便能发现埃菲尔铁塔的一部分设计原理。

如果将一块骨骼切开，你会发现它就像一根长棍面包——外表坚硬，内部却布满小孔。外面的骨质叫做“密质骨”，坚硬紧凑，用来支撑大部分的身体重量。内部的骨质却像海绵，被称为“松质骨”。这一结构也起着重要作用，用来支撑人体骨骼时常需要承受的压力和拉力。

现在来放大长棍形骨骼的外壳——密质骨。密质骨由许多被称为“骨单位”的管状组织构成，每个骨单位的直径仅为0.2毫米，从中间伸出一根血管。将这些骨单位内壁放大后，可以看到它们是由一些更微小的“束”构成的，这些“束”叫做“原纤维”。对其中一根原纤维进行放大后，可以看到它们确实是一些纤维束，每根纤维由三根单纤维交织而成。将这些单纤维分离后便得到了骨骼的基本单位“骨胶原”——一种长链状分子。

这种将事物结合起来，利用自相似性物质进行构建的分形方式叫做“结构层次”。人体骨骼的轻质强度正是由于这种结构层次的存在，即管状体层层包含的结构。（松质骨也是一种具有自相似性的分形结构。假如用电子显微镜对一块松质骨进行观察，就会发现它看上去就像海绵。）

竹子的生长原理同样如此。这种生长极其迅猛的植物需要一种保持轻量的同时将材质最小化的方式，这样才能够保证达到一定高度的同时不被自身重量压垮。竹子的空心管状结构有效地保证了其自身的硬度。竹子和人体骨骼一样，由一些极细的管状组织构成，这些管状组织由纤维束构成，纤维束则由更为纤细的纤维束组成，以此类推。将一根竹子层层分解，直至纳米大小的纤维，便得到了另一种长链状分子——“纤维素”。

竹子和骨骼本质上都是纳米物质，利用结构层次来保证轻质和强度。埃菲尔铁塔的设计原理与之相似。埃菲尔从竹子和骨骼中得到灵感，将其运用到庞大的建筑中去。

和许多现代建筑一样，埃菲尔铁塔利用了一系列“X”形横梁，也就是“桁架”。借助固有强度和三角结构的稳定性，“桁架”成为了一种相当高效的工程结构。若对埃菲尔铁塔的一根桁架进行放大，便会发现它们其实并没有表面上那么坚固，每根桁架都由一些更小的相似桁架构成。材质内部的小孔比铁多。这种中空结构成就了铁塔令人难以置信的轻质性。下次你走过一座桥的时候，请仔细观察，说不定那座桥也运用了同样的原理。

当初那些把埃菲尔铁塔称为“骨架”的评论家们意在侮辱这件艺术品，不过如今看来，却反而是一种赞美了。