هيكل عظمي

الهيكل الخارجي هو هيكل يغطي جسم الحيوان، ويعمل كدرع لحمايته من المفترسات. تمتلك المفصليات هياكل خارجية تُغلف أجسامها، وتخضع لعملية انسلاخ دورية أو انسلاخ خارجي مع نموها. تُعد أصداف الرخويات شكلاً آخر من أشكال الهياكل الخارجية. ^{[ 4 ]} توفر الهياكل الخارجية أسطحًا لالتصاق العضلات، ويمكن أن تساعد الزوائد المتخصصة للهيكل الخارجي في الحركة والدفاع. في المفصليات، يساعد الهيكل الخارجي أيضًا في الإدراك الحسي . ^{[ 5 ]}

قد يكون الهيكل الخارجي ثقيلاً نسبيًا مقارنةً بكتلة الحيوان الإجمالية، لذا فإن الكائنات الحية التي تمتلك هيكلاً خارجياً على اليابسة تكون في الغالب صغيرة الحجم. أما الحيوانات المائية الأكبر حجماً، فتستطيع حمل هيكل خارجي لأن الوزن لا يُشكل عائقاً كبيراً تحت الماء. ويُعدّ المحار العملاق الجنوبي ، وهو نوع من المحار الضخم الذي يعيش في المحيط الهادئ ، مثالاً على ذلك، إذ يتميز بصدفة هائلة الحجم والوزن. كما أن حلزون البحر "سيرينكس أروانوس" يتميز بصدفة كبيرة جداً.

الهياكل الداخلية هي البنية الداعمة الداخلية للحيوان، وتتكون من أنسجة مُتمعدنة ، مثل الهياكل العظمية الموجودة في معظم الفقاريات. ^{[ 6 ]} تتميز الهياكل الداخلية بتخصصها العالي وتختلف اختلافًا كبيرًا بين الحيوانات. ^{[ 4 ]} وتتفاوت في تعقيدها، فمنها ما يعمل للدعم فقط (كما في حالة الإسفنج )، ومنها ما يعمل كموقع ارتباط للعضلات وآلية لنقل القوى العضلية. وينشأ الهيكل الداخلي الحقيقي من النسيج المتوسطي . وتوجد الهياكل الداخلية في الحبليات وشوكيات الجلد والإسفنج .

تتمتع الهياكل العظمية المرنة بالقدرة على الحركة؛ فعند تعرضها للإجهاد ، تتشوه ثم تعود إلى شكلها الأصلي. يُستخدم هذا الهيكل العظمي في بعض اللافقاريات، كما في مفصل أصداف ذوات الصدفتين أو الغشاء المتوسطي في اللاسعات مثل قناديل البحر . تتميز الهياكل العظمية المرنة بفائدتها، إذ يكفي انقباض العضلات لثنيها؛ وعند ارتخاء العضلات، يعود الهيكل إلى شكله الأصلي. يُعد الغضروف أحد المواد التي قد يتكون منها الهيكل العظمي المرن، ولكن معظم الهياكل العظمية المرنة تتكون من مزيج من البروتينات والسكريات المتعددة والماء. ^{[ 3 ]} ولزيادة الدعم أو الحماية، قد تُدعّم الهياكل العظمية المرنة بهياكل عظمية صلبة. تعيش الكائنات الحية ذات الهياكل العظمية المرنة عادةً في الماء، الذي يدعم بنية الجسم في غياب الهيكل العظمي الصلب. ^{[ 7 ]}

الهياكل العظمية الصلبة غير قادرة على الحركة عند تعرضها للإجهاد، مما يوفر نظام دعم قويًا شائعًا في الحيوانات البرية . أما الحيوانات المائية، فتستخدم هذا النوع من الهياكل العظمية للحماية (مثل أصداف البرنقيل والقواقع ) أو للحيوانات سريعة الحركة التي تحتاج إلى دعم إضافي من العضلات للسباحة. تتكون الهياكل العظمية الصلبة من مواد تشمل الكيتين (في المفصليات)، ومركبات الكالسيوم مثل كربونات الكالسيوم (في المرجان الصلب والرخويات )، والسيليكات ( في الدياتومات والشعاعيات ).

الهياكل الهيدروستاتيكية عبارة عن تجاويف مرنة داخل جسم الحيوان، توفر له الدعم الهيكلي عبر ضغط السوائل، وتوجد في بعض أنواع الكائنات الرخوة ، بما في ذلك قناديل البحر والديدان المفلطحة والديدان الأسطوانية وديدان الأرض. تتكون جدران هذه التجاويف من العضلات والأنسجة الضامة. ^{[ 4 ]} بالإضافة إلى توفير الدعم الهيكلي لجسم الحيوان، تنقل الهياكل الهيدروستاتيكية قوى انقباض العضلات، مما يسمح للحيوان بالحركة من خلال انقباضات وانبساطات متناوبة للعضلات على طول جسمه. ^{[ 8 ]}

يُستخدم الهيكل الخلوي (الخلوي، وتعني كلمة "خلوي" ^{[ 9 ]} ) لتثبيت شكل الخلايا والحفاظ عليه. وهو بنية ديناميكية تحافظ على شكل الخلية، وتحميها، وتُمكّن حركتها باستخدام تراكيب مثل الأسواط والأهداب والصفائح الخلوية ، كما تُسهّل النقل داخل الخلايا ، مثل حركة الحويصلات والعضيات ، وتلعب دورًا في انقسام الخلية. ولا يُعدّ الهيكل الخلوي هيكلًا عظميًا بالمعنى الذي يُوفّر النظام الهيكلي لجسم الحيوان، بل يؤدي وظيفة مماثلة على المستوى الخلوي . ^{[ 10 ]}

تطورت هياكل السلاحف لتكوّن صدفة من القفص الصدري، مُشكّلةً هيكلاً خارجياً. ^{[ 17 ]} تحتوي هياكل الثعابين والبرمائيات عديمة الأطراف على عدد فقرات أكبر بكثير من الحيوانات الأخرى. غالباً ما تمتلك الثعابين أكثر من 300 فقرة، مقارنةً بـ 65 فقرة في السحالي. ^{[ 18 ]}

تُهيأ هياكل الطيور للطيران . فعظامها مجوفة وخفيفة الوزن لتقليل الجهد البدني اللازم للطيران. وقد صُممت عدة خصائص لشكل وبنية العظام لتحمل الإجهاد البدني المصاحب للطيران، بما في ذلك عظم العضد الدائري الرقيق ، واندماج عناصر الهيكل العظمي في عظام مفردة . ^{[ 19 ]} ولهذا السبب، عادةً ما تمتلك الطيور عددًا أقل من العظام مقارنةً بالفقاريات الأرضية الأخرى. كما تفتقر الطيور إلى الأسنان أو حتى الفك الحقيقي ، إذ طورت منقارًا أخف وزنًا بكثير. ويحتوي منقار العديد من صغار الطيور على نتوء يُسمى سن البيضة ، يُسهل خروجها من البيضة.

يتكون الهيكل العظمي، الذي يشكل البنية الداعمة داخل السمكة، إما من الغضروف كما في الأسماك الغضروفية ، أو من العظام كما في الأسماك العظمية . العنصر الهيكلي الرئيسي هو العمود الفقري، ويتكون من فقرات مفصلية خفيفة الوزن لكنها قوية. تتصل الأضلاع بالعمود الفقري، ولا توجد أطراف أو أحزمة طرفية، بل تدعمها العضلات فقط. أما السمات الخارجية الرئيسية للسمكة، وهي الزعانف ، فتتكون إما من أشواك عظمية أو لينة تُسمى الأشعة، والتي، باستثناء الزعنفة الذيلية، لا ترتبط مباشرة بالعمود الفقري. وتدعمها العضلات التي تُشكل الجزء الرئيسي من الجذع.

تمتلك الأسماك الغضروفية، مثل أسماك القرش والشفنين والورنكات والأسماك الغضروفية، هياكل عظمية مصنوعة بالكامل من الغضروف. ويسمح الوزن الأخف للغضروف لهذه الأسماك ببذل طاقة أقل عند السباحة. ^{[ 4 ]}

تُعدّ الهياكل العظمية للمفصليات ، بما في ذلك الحشرات والقشريات والعناكب ، هياكل خارجية مغطاة بالكيوتين . تتكون هذه الهياكل من الكيتين الذي تفرزه البشرة . ^{[ 27 ]} يغطي الكيوتين جسم الحيوان ويبطن العديد من الأعضاء الداخلية، بما في ذلك أجزاء من الجهاز الهضمي. تنسلخ المفصليات أثناء نموها من خلال عملية الانسلاخ ، حيث تُكوّن هيكلاً خارجياً جديداً، وتهضم جزءاً من الهيكل السابق، وتترك الباقي . يؤدي هيكل المفصليات وظائف عديدة، فهو بمثابة غطاء يوفر حاجزاً ويدعم الجسم، ويوفر زوائد للحركة والدفاع، ويساعد في الإدراك الحسي. تمتص بعض المفصليات، مثل القشريات، معادن حيوية مثل كربونات الكالسيوم من البيئة لتقوية الكيوتين. ^{[ 5 ]}

تُعدّ الهياكل العظمية لشوكيات الجلد ، مثل نجم البحر وقنافذ البحر ، هياكل داخلية تتكون من صفائح صلبة كبيرة ومتطورة تتجاور أو تتداخل لتغطية جسم الحيوان. وتُستثنى من ذلك هياكل خيار البحر ، إذ تتميز بصغر حجمها لتسهيل التغذية والحركة. تتكون هياكل شوكيات الجلد من مادة "ستيريوم"، وهي عبارة عن صفائح صلبة من الكالسيت ذات بنية أحادية البلورة . كما تحتوي على نسبة عالية من المغنيسيوم ، تصل إلى 15% من تركيب الهيكل العظمي. وتتميز بنية "الستيريوم" بمساميتها، حيث تمتلئ المسام بنسيج ضام مع تقدم الحيوان في العمر. ولدى قنافذ البحر ما يصل إلى عشرة أنواع مختلفة من بنية "الستيريوم". وتُعدّ هذه الهياكل العظمية فريدة من نوعها بين الحيوانات الحية، إذ تنفرد بها شوكيات الجلد، على الرغم من أن بعض حيوانات حقبة الحياة القديمة استخدمت هياكل عظمية مشابهة . ^{[ 28 ]} وتُصنف هياكل شوكيات الجلد ضمن الطبقة المتوسطة ، لأنها مُغطاة في الغالب بنسيج رخو. قد تتشابك صفائح الهيكل العظمي أو تتصل ببعضها عبر العضلات والأربطة. تتميز العناصر الهيكلية في شوكيات الجلد بتخصصها العالي وتتخذ أشكالًا متعددة، مع احتفاظها عادةً بنوع من التناظر. تُعد أشواك قنافذ البحر أكبر أنواع الهياكل العظمية في شوكيات الجلد. ^{[ 29 ]}

تمتلك بعض الرخويات، مثل المحار والأسقلوب والقواقع، أصدافاً تعمل كهياكل خارجية. وتتكون هذه الأصداف من البروتينات والمعادن التي تفرزها عباءة الحيوان . ^{[ 4 ]}

يتكون الهيكل العظمي للإسفنج من شويكات مجهرية كلسية أو سيليسية . تشمل الإسفنجيات الديموسية 90% من جميع أنواع الإسفنج. تتكون "هياكلها العظمية" من شويكات تتألف من ألياف بروتين الإسفنجين ، أو معدن السيليكا ، أو كليهما. وعند وجود شويكات السيليكا، فإنها تتخذ شكلاً مختلفاً عن تلك الموجودة في الإسفنجيات الزجاجية المشابهة لها في الشكل . ^{[ 30 ]}