Chapter-20 Locomotion and Movement
Movement is one of the significant features of living beings. Animals and plants exhibit a wide range of movements. Streaming of protoplasm in the unicellular organisms like Amoeba is a simple form of movement. Movement of cilia, flagella and tentacles are shown by many organisms. Human beings can move limbs, jaws, eyelids, tongue, etc. Some of the movements result in a change of place or location. Such voluntary movements are called locomotion. Walking, running, climbing, flying, swimming are all some forms of locomotory movements. Locomotory structures need not be different from those affecting other types of movements. For example, in Paramoecium, cilia helps in the movement of food through cytopharynx and in locomotion as well. Hydra can use its tentacles for capturing its prey and also use them for locomotion. We use limbs for changes in body postures and locomotion as well. The above observations suggest that movements and locomotion cannot be studied separately. The two may be linked by stating that all locomotions are movements but all movements are not locomotions.
Methods of locomotion performed by animals vary with their habitats and the demand of the situation. However, locomotion is generally for search of food, shelter, mate, suitable breeding grounds, favourable climatic conditions or to escape from enemies/predators.
20.1 TYPES OF MOVEMENT
Cells of the human body exhibit three main types of movements, namely, amoeboid, ciliary and muscular. Some specialised cells in our body like macrophages and leucocytes in blood exhibit amoeboid movement. It is effected by pseudopodia formed by the streaming of protoplasm (as in Amoeba). Cytoskeletal elements like microfilaments are also involved in amoeboid movement.
Ciliary movement occurs in most of our internal tubular organs which are lined by ciliated epithelium. The coordinated movements of cilia in the trachea help us in removing dust particles and some of the foreign substances inhaled alongwith the atmospheric air. Passage of ova through the female reproductive tract is also facilitated by the ciliary movement. Movement of our limbs, jaws, tongue, etc, require muscular movement.
The contractile property of muscles are effectively used for locomotion and other movements by human beings and majority of multicellular organisms. Locomotion requires a perfect coordinated activity of muscular, skeletal and neural systems. In this chapter, you will learn about the types of muscles, their structure, mechanism of their contraction and important aspects of the skeletal system.
20.2 MUSCLE
You have studied in Chapter 8 that the cilia and flagella are the outgrowths of the cell membrane. Flagellar movement helps in the swimming of spermatozoa, maintenance of water current in the canal system of sponges and in locomotion of Protozoans like Euglena. Muscle is a specialised tissue of mesodermal origin. About 40-50 per cent of the body weight of a human adult is contributed by muscles. They have special properties like excitability, contractility, extensibility and elasticity. Muscles have been classified using different criteria, namely location, appearance and nature of regulation of their activities. Based on their location, three types of muscles are identified : (i) Skeletal (ii) Visceral and (iii) Cardiac.
Skeletal muscles are closely associated with the skeletal components of the body. They have a striped appearance under the microscope and hence are called striated muscles. As their activities are under the voluntary control of the nervous system, they are known as voluntary muscles too. They are primarily involved in locomotory actions and changes of body postures.
Visceral muscles are located in the inner walls of hollow visceral organs of the body like the alimentary canal, reproductive tract, etc. They do not exhibit any striation and are smooth in appearance. Hence, they are called smooth muscles (nonstriated muscle). Their activities are not under the voluntary control of the nervous system and are therefore known as involuntary muscles. They assist, for example, in the transportation of food through the digestive tract and gametes through the genital tract.
As the name suggests, Cardiac muscles are the muscles of heart. Many cardiac muscle cells assemble in a branching pattern to form a cardiac muscle. Based on appearance, cardiac muscles are striated. They are involuntary in nature as the nervous system does not control their activities directly.
Let us examine a skeletal muscle in detail to understand the structure and mechanism of contraction. Each organised skeletal muscle in our body is made of a number of muscle bundles or fascicles held together by a common collagenous connective tissue layer called fascia. Each muscle bundle contains a number of muscle fibres (Figure 20.1).
Figure 20.1 Diagrammatic cross sectional view of a muscle showing muscle bundles and muscle fibres
Each muscle fibre is lined by the plasma membrane called sarcolemma enclosing the sarcoplasm. Muscle fibre is a syncitium as the sarcoplasm contains many nuclei. The endoplasmic reticulum, i.e., sarcoplasmic reticulum of the muscle fibres is the store house of calcium ions. A characteristic feature of the muscle fibre is the presence of a large number of parallelly arranged filaments in the sarcoplasm called myofilaments or myofibrils. Each myofibril has alternate dark and light bands on it. A detailed study of the myofibril has established that the striated appearance is due to the distribution pattern of two important proteins - Actin and Myosin. The light bands contain actin and is called I-band or Isotropic band, whereas the dark band called ‘A’ or Anisotropic band contains myosin. Both the proteins are arranged as rod-like structures, parallel to each other and also to the longitudinal axis of the myofibrils. Actin filaments are thinner as compared to the myosin filaments, hence are commonly called thin and thick filaments respectively. In the centre of each ‘I’ band is an elastic fibre called ‘Z’ line which bisects it. The thin filaments are firmly attached to the ‘Z’ line. The thick filaments in the ‘A’ band are also held together in the middle of this band by a thin fibrous membrane called ‘M’ line. The ‘A’ and ‘I’ bands are arranged alternately throughout the length of the myofibrils. The portion of the myofibril between two successive ‘Z’ lines is considered as the functional unit of contraction and is called a sarcomere (Figure 20.2). In a resting state, the edges of thin filaments on either side of the thick filaments partially overlap the free ends of the thick filaments leaving the central part of the thick filaments. This central part of thick filament, not overlapped by thin filaments is called the‘H’ zone.
Figure 20.2 Diagrammatic representation of (a) anatomy of a muscle fibre showing a sarcomere (b) a sarcomere
20.2.1 Structure of Contractile Proteins
Each actin (thin) filament is made of two ‘F’ (filamentous) actins helically wound to each other. Each ‘F’ actin is a polymer of monomeric ‘G’ (Globular) actins. Two filaments of another protein, tropomyosin also run close to the ‘F’ actins throughout its length. A complex protein Troponin is distributed at regular intervals on the tropomyosin. In the resting state a subunit of troponin masks the active binding sites for myosin on the actin filaments (Figure 20.3a).
Each myosin (thick) filament is also a polymerised protein. Many monomeric proteins called Meromyosins (Figure 20.3b) constitute one thick filament. Each meromyosin has two important parts, a globular head with a short arm and a tail, the former being called the heavy meromyosin (HMM) and the latter, the light meromyosin (LMM). The HMM component, i.e.; the head and short arm projects outwards at regular distance and angle from each other from the surface of a polymerised myosin filament and is known as cross arm. The globular head is an active ATPase enzyme and has binding sites for ATP and active sites for actin.
Figure 20.3 (a) An actin (thin) filament (b) Myosin monomer (Meromyosin)
20.2.2 Mechanism of Muscle Contraction
Mechanism of muscle contraction is best explained by the sliding filament theory which states that contraction of a muscle fibre takes place by the sliding of the thin filaments over the thick filaments.
Muscle contraction is initiated by a signal sent by the central nervous system (CNS) via a motor neuron. A motor neuron alongwith the muscle fibres connected to it constitute a motor unit. The junction between a motor neuron and the sarcolemma of the muscle fibre is called the neuromuscular junction or motor-end plate. A neural signal reaching this junction releases a neurotransmitter (Acetyl choline) which generates an action potential in the sarcolemma. This spreads through the muscle fibre and causes the release of calcium ions into the sarcoplasm. Increase in Ca++ level leads to the binding of calcium with a subunit of troponin on actin filaments and thereby remove the masking of active sites for myosin. Utilising the energy from ATP hydrolysis, the myosin head now binds to the exposed active sites on actin to form a cross bridge (Figure 20.4).
Figure 20.4 Stages in cross bridge formation, rotation of head and breaking of cross bridge
This pulls the attached actin filaments towards the centre of ‘A’ band. The ‘Z’ line attached to these actins are also pulled inwards thereby causing a shortening of the sarcomere, i.e., contraction. It is clear from the above steps, that during shortening of the muscle, i.e., contraction, the ‘I’ bands get reduced, whereas the ‘A’ bands retain the length (Figure 20.5). The myosin, releasing the ADP and P1 goes back to its relaxed state. A new ATP binds and the cross-bridge is broken (Figure 20.4). The ATP is again hydrolysed by the myosin head and the cycle of cross bridge formation and breakage is repeated causing further sliding. The process continues till the Ca++ ions are pumped back to the sarcoplasmic cisternae resulting in the masking of actin filaments. This causes the return of ‘Z’ lines back to their original position, i.e., relaxation. The reaction time of the fibres can vary in different muscles. Repeated activation of the muscles can lead to the accumulation of lactic acid due to anaerobic breakdown of glycogen in them, causing fatigue. Muscle contains a red coloured oxygen storing pigment called myoglobin. Myoglobin content is high in some of the muscles which gives a reddish appearance. Such muscles are called the Red fibres. These muscles also contain plenty of mitochondria which can utilise the large amount of oxygen stored in them for ATP production. These muscles, therefore, can also be called aerobic muscles. On the other hand, some of the muscles possess very less quantity of myoglobin and therefore, appear pale or whitish. These are the White fibres. Number of mitochondria are also few in them, but the amount of sarcoplasmic reticulum is high. They depend on anaerobic process for energy.
Figure 20.5 Sliding-filament theory of muscle contraction (movement of the thin filaments and the relative size of the I band and H zones)
20.3 SKELETAL SYSTEM
Skeletal system consists of a framework of bones and a few cartilages. This system has a significant role in movement shown by the body. Imagine chewing food without jaw bones and walking around without the limb bones. Bone and cartilage are specialised connective tissues. The former has a very hard matrix due to calcium salts in it and the latter has slightly pliable matrix due to chondroitin salts. In human beings, this system is made up of 206 bones and a few cartilages. It is grouped into two principal divisions - the axial and the appendicular skeleton.
Axial skeleton comprises 80 bones distributed along the main axis of the body. The skull, vertebral column, sternum and ribs constitute axial skeleton. The skull (Figure 20.6) is composed of two sets of bones - cranial and facial, that totals to 22 bones.
Figure 20.6 Diagrammatic view of human skull
Cranial bones are 8 in number. They form the hard protective outer covering, cranium for the brain. The facial region is made up of 14 skeletal elements which form the front part of the skull. A single U-shaped bone called hyoid is present at the base of the buccal cavity and it is also included in the skull. Each middle ear contains three tiny bones - Malleus, Incus and Stapes, collectively called Ear Ossicles. The skull region articulates with the superior region of the vertebral column with the help of two occipital condyles (dicondylic skull).
Our vertebral column (Figure 20.7) is formed by 26 serially arranged units called vertebrae and is dorsally placed. It extends from the base of the skull and constitutes the main framework of the trunk. Each vertebra has a central hollow portion (neural canal) through which the spinal cord passes. First vertebra is the atlas and it articulates with the occipital condyles. The vertebral column is differentiated into cervical (7), thoracic (12), lumbar (5), sacral (1-fused) and coccygeal (1-fused) regions starting from the skull. The number of cervical vertebrae are seven in almost all mammals including human beings. The vertebral column protects the spinal cord, supports the head and serves as the point of attachment for the ribs and musculature of the back. Sternum is a flat bone on the ventral midline of thorax.
Figure 20.7 Vertebral column (right lateral view)
There are 12 pairs of ribs. Each rib is a thin flat bone connected dorsally to the vertebral column and ventrally to the sternum. It has two articulation surfaces on its dorsal end and is hence called bicephalic. First seven pairs of ribs are called true ribs. Dorsally, they are attached to the thoracic vertebrae and ventrally connected to the sternum with the help of hyaline cartilage. The 8th, 9th and 10th pairs of ribs do not articulate directly with the sternum but join the seventh rib with the help of hyaline cartilage. These are called vertebrochondral (false) ribs. Last 2 pairs (11th and 12th) of ribs are not connected ventrally and are therefore, called floating ribs. Thoracic vertebrae, ribs and sternum together form the rib cage (Figure 20.8).
Figure 20.8 Ribs and rib cage
The bones of the limbs alongwith their girdles constitute the appendicular skeleton. Each limb is made of 30 bones. The bones of the hand (fore limb) are humerus, radius and ulna, carpals (wrist bones - 8 in number), metacarpals (palm bones - 5 in number) and phalanges (digits - 14 in number) (Figure 20.9). Femur (thigh bone - the longest bone), tibia and fibula, tarsals (ankle bones - 7 in number), metatarsals (5 in number) and phalanges (digits - 14 in number) are the bones of the legs (hind limb) (Figure 20.10). A cup shaped bone called patella cover the knee ventrally (knee cap).
Figure 20.9 Right pectoral girdle and upper arm. (frontal view)
Pectoral and Pelvic girdle bones help in the articulation of the upper and the lower limbs respectively with the axial skeleton. Each girdle is formed of two halves. Each half of pectoral girdle consists of a clavicle and a scapula (Figure 20.9). Scapula is a large triangular flat bone situated in the dorsal part of the thorax between the second and the seventh ribs. The dorsal, flat, triangular body of scapula has a slightly elevated ridge called the spine which projects as a flat, expanded process called the acromion. The clavicle articulates with this. Below the acromion is a depression called the glenoid cavity which articulates with the head of the humerus to form the shoulder joint. Each clavicle is a long slender bone with two curvatures. This bone is commonly called the collar bone.
Figure 20.10 Right pelvic girdle and lower limb bones (frontal view)
Pelvic girdle consists of two coxal bones (Figure 20.10). Each coxal bone is formed by the fusion of three bones - ilium, ischium and pubis. At the point of fusion of the above bones is a cavity called acetabulum to which the thigh bone articulates. The two halves of the pelvic girdle meet ventrally to form the pubic symphysis containing fibrous cartilage.
20.4 JOINTS
Joints are essential for all types of movements involving the bony parts of the body. Locomotory movements are no exception to this. Joints are points of contact between bones, or between bones and cartilages. Force generated by the muscles is used to carry out movement through joints, where the joint acts as a fulcrum. The movability at these joints vary depending on different factors. Joints have been classified into three major structural forms, namely, fibrous, cartilaginous and synovial.
Fibrous joints do not allow any movement. This type of joint is shown by the flat skull bones which fuse end-to-end with the help of dense fibrous connective tissues in the form of sutures, to form the cranium.
In cartilaginous joints, the bones involved are joined together with the help of cartilages. The joint between the adjacent vertebrae in the vertebral column is of this pattern and it permits limited movements.
Synovial joints are characterised by the presence of a fluid filled synovial cavity between the articulating surfaces of the two bones. Such an arragement allows considerable movement. These joints help in locomotion and many other movements. Ball and socket joint (between humerus and pectoral girdle), hinge joint (knee joint), pivot joint (between atlas and axis), gliding joint (between the carpals) and saddle joint (between carpal and metacarpal of thumb) are some examples.
20.5 DISORDERS OF MUSCULAR AND SKELETAL SYSTEM
Myasthenia gravis: Auto immune disorder affecting neuromuscular junction leading to fatigue, weakening and paralysis of skeletal muscle.
Muscular dystrophy: Progressive degeneration of skeletal muscle mostly due to genetic disorder.
Tetany: Rapid spasms (wild contractions) in muscle due to low Ca++ in body fluid.
Arthritis: Inflammation of joints.
Osteoporosis: Age-related disorder characterised by decreased bone mass and increased chances of fractures. Decreased levels of estrogen is a common cause.
Gout: Inflammation of joints due to accumulation of uric acid crystals.
Summary
Movement is an essential feature of all living beings. Protoplasmic streaming, ciliary movements, movements of fins, limbs, wings, etc., are some forms exhibited by animals. A voluntary movement which causes the animal to change its place, is called locomotion. Animals move generally in search of food, shelter, mate, breeding ground, better climate or to protect themselves.
The cells of the human body exhibit amoeboid, ciliary and muscular movements. Locomotion and many other movements require coordinated muscular activities. Three types of muscles are present in our body. Skeletal muscles are attached to skeletal elements. They appear striated and are voluntary in nature. Visceral muscles, present in the inner walls of visceral organs are nonstriated and involuntary. Cardiac muscles are the muscles of the heart. They are striated, branched and involuntary. Muscles possess excitability, contractility, extensibility and elasticity.
Muscle fibre is the anatomical unit of muscle. Each muscle fibre has many parallelly arranged myofibrils. Each myofibril contains many serially arranged units called sarcomere which are the functional units. Each sarcomere has a central ‘A’ band made of thick myosin filaments, and two half ‘I’ bands made of thin actin filaments on either side of it marked by ‘Z’ lines. Actin and myosin are polymerised proteins with contractility. The active sites for myosin on resting actin filament are masked by a protein-troponin. Myosin head contains ATPase and has ATP binding sites and active sites for actin. A motor neuron carries signal to the muscle fibre which generates an action potential in it. This causes the release of Ca++ from sarcoplasmic reticulum. Ca++ activates actin which binds to the myosin head to form a cross bridge. These cross bridges pull the actin filaments causing them to slide over the myosin filaments and thereby causing contraction. Ca++ are then returned to sarcoplasmic reticulum which inactivate the actin. Cross bridges are broken and the muscles relax.
Repeated stimulation of muscles leads to fatigue. Muscles are classified as Red and White fibres based primarily on the amount of red coloured myoglobin pigment in them.
Bones and cartilages constitute our skeletal system. The skeletal system is divisible into axial and appendicular. Skull, vertebral column, ribs and sternum constitute the axial skeleton. Limb bones and girdles form the appendicular skeleton. Three types of joints are formed between bones or between bone and cartilage - fibrous, cartilaginous and synovial. Synovial joints allow considerable movements and therefore, play a significant role in locomotion.
Exercises
1. Draw the diagram of a sarcomere of skeletal muscle showing different regions.
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The diagrammatic representation of a sarcomere is as follows:
2. Define sliding filament theory of muscle contraction.
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The sliding filament theory explains the process of muscle contraction during which the thin filaments slide over the thick filaments, which shortens the myofibril.
Each muscle fibre has an alternate light and dark band, which contains a special contractile protein, called actin and myosin respectively. Actin is a thin contractile protein present in the light band and is known as the I-band, whereas myosin is a thick contractile protein present in the dark band and is known as the A-band. There is an elastic fibre called $z$ line that bisects each I-band. The thin filament is firmly anchored to the $z$ line. The central part of the thick filament that is not overlapped by the thin filament is known as the $H$-zone.
During muscle contraction, the myosin heads or cross bridges come in close contact with the thin filaments. As a result, the thin filaments are pulled towards the middle of the sarcomere. The $Z$ line attached to the actin filaments is also pulled leading to the shortening of the sarcomere. Hence, the length of the band remains constant as its original length and the I-band shortens and the H-zone disappears.
Contracted sarcomere
3. Describe the important steps in muscle contraction.
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During skeletal muscle contraction, the thick filament slides over the thin filament by a repeated binding and releases myosin along the filament. This whole process occurs in a sequential manner.
Step 1: Muscle contraction is initiated by signals that travel along the axon and reach the neuromuscular junction or motor end plate. Neuromuscular junction is a junction between a neuron and the sarcolemma of the muscle fibre. As a result, Acetylcholine (a neurotransmitter) is released into the synaptic cleft by generating an action potential in sarcolemma.
Step 2: The generation of this action potential releases calcium ions from the sarcoplasmic reticulum in the sarcoplasm.
Step 3: The increased calcium ions in the sarcoplasm leads to the activation of actin sites. Calcium ions bind to the troponin on actin filaments and remove the tropomyosin, wrapped around actin filaments. Hence, active actin sites are exposed and this allows myosin heads to attach to this site.
Step 4: In this stage, the myosin head attaches to the exposed site of actin and forms cross bridges by utilizing energy from ATP hydrolysis. The actin filaments are pulled. As a result, the $H$-zone reduces. It is at this stage that the contraction of the muscle occurs.
Step 5: After muscle contraction, the myosin head pulls the actin filament and releases ADP along with inorganic phosphate. ATP molecules bind and detach myosin and the cross bridges are broken.
Stage 6: This process of formation and breaking down of cross bridges continues until there is a drop in the stimulus, which causes an increase in calcium. As a result, the concentration of calcium ions decreases, thereby masking the actin filaments and leading to muscle relaxation.
4. Write true or false. If false change the statement so that it is true.
(a) Actin is present in thin filament
(b) H-zone of striated muscle fibre represents both thick and thin filaments.
(c) Human skeleton has 206 bones.
(d) There are 11 pairs of ribs in man.
(e) Sternum is present on the ventral side of the body.
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(a) Answer: True
(b) Answer: False
$H$-zone of striated muscle fibre is the central part of the thick filament that is not overlapped by the thin filament.
(c) Answer: True
(d) Answer: False
There are 12 pairs of ribs in a man.
(e) Answer: True
5. Write the difference between :
(a) Actin and Myosin
(b) Red and White muscles
(c) Pectoral and Pelvic girdle
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(a) Actin and Myosin
Actin | Myosin |
---|---|
1 Actin is a thin contractile protein. | 1 Myosin is a thick contractile protein. |
2. It is present in light bands and is called an isotropic band. | 2 It is present in dark bands and is called an anisotropic band. |
(b) Red and White muscles
Red muscle fibre | White muscle fibre |
---|---|
1 Red muscle fibres are thin and smaller in size. | 1 White muscle fibres are thick and larger in size. |
2 They are red in colour as they contain large amounts of myoglobin. | 2 They are white in colour as they contain small amounts of myoglobin |
3 They contain numerous mitochondria. | 3 They contain less number of mitochondria. |
4 They carry out slow and sustained contractions for a long period. | 4 They carry out fast work for short duration. |
5 They provide energy by aerobic respiration. | 5 They provide energy by anaerobic respiration. |
(c) Pectoral and Pelvic girdle
Pectoral girdle | Pelvic girdle |
---|---|
1 It is a skeletal support from where the forelimbs of vertebrates are attached. | 1 It is a skeletal support form where the hind limbs of vertebrates are attached. |
2 It is composed of two Bones namely, clavicle or collar bones and scapula or shoulder bone. | It composed of three bones, upper ileum, inner pubic, and ischium. |
6. Match Column I with Column II :
Column I | Column II |
---|---|
(a) Smooth muscle | (i) Myoglobin |
(b) Tropomyosin | (ii) Thin filament |
(c) Red muscle | (iii) Sutures |
(d) Skull | (iv) Involuntary |
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Answer
Column I | Column II |
---|---|
(a) Smooth muscle | (iv) Involuntary |
(b) Tropomyosin | (ii) Thin filament |
(c) Red muscle | (i) Myoglobin |
(d) Skull | (iii) Sutures |
7. What are the different types of movements exhibited by the cells of human body?
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Movement is a characteristic feature of living organisms. The different types of movement exhibited by cells of the human body are:
- Amoeboid movement: Leucocytes present in the blood show amoeboid movement. During tissue damage, these blood cells move from the circulatory system towards the injury site to initiate an immune response.
- Ciliary movement: Reproductive cells such as sperms and ova show ciliary movement. The passage of ova through the fallopian tube towards the uterus is facilitated by this movement.
- Muscular movement: Muscle cells show muscular movement.
8. How do you distinguish between a skeletal muscle and a cardiac muscle?
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Answer
Skeletal muscle | Cardiac muscle |
---|---|
1. The cells of skeletal muscles are unbranched. | 1. The cells of cardiac muscles are branched. |
2. Intercalated disks are absent. | 2. The cells are joined with one another by intercalated disks that help in coordination or synchronization of the heart beat. |
3. Alternate light and dark bands are present. | 3. Faint bands are present. |
4. They are voluntary muscles. | 4. They are involuntary muscles. |
5. They contract rapidly and get fatigued in a short span of time. | 5. They contract rapidly but do not get fatigued |
9. Name the type of joint between the following:
(a) atlas/axis
(b) carpal/metacarpal of thumb
(c) between phalanges
(d) femur/acetabulum
(e) between cranial bones
(f) between pubic bones in the pelvic girdle
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(a) atlas/axis: Pivotal joint
(b) carpal/metacarpal of thumb: Saddle joint
(c) between phalanges: Hinge joint
(d) femur/acetabulum: Ball and socket joint
(e) between cranial bones: Fibrous joint
(f) between pubic bones in the pelvic girdle: Cartilaginous joint
10. Fill in the blank spaces:
(a) All mammals (except a few) have __________ cervical vertebra.
(b) The number of phalanges in each limb of human is __________
(c) Thin filament of myofibril contains 2 ‘F’ actins and two other proteins namely __________ and __________.
(d) In a muscle fibre Ca++ is stored in __________
(e) __________ and __________ pairs of ribs are called floating ribs.
(f) The human cranium is made of __________ bones.
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Answer
(a) All mammals (except a few) have $\underline{\text{ seven }}$ cervical vertebra.
(b) The number of phalanges in each limb of a human is $\underline{\text{14}}$ .
(c) Thin filament of myofibril contains 2 ’ $F$ ’ actins and two other proteins, namely $\underline{\text{ troponin }}$ and $\underline{\text{ tropomyosin}}$
(d) In a muscle fibre, $Ca^{++}$ is stored in the $\underline{\text{ sarcoplasmic reticulum}}$
(e) $\underline{\text{11}^{th}}$ and $\underline{\text{12}^{th}}$ pairs of ribs are called floating ribs.
(f) The human cranium is made up of $\underline{\text{ eight }}$ bones.
संचलन जीवों की एक महत्वपूर्ण विशेषता है। जंतुओं एवं पादपों में अनेकों तरह के संचलन होते हैं। अमीबा सदृश एक कोशिक जीव में जीवद्रव्य का प्रवाही संचलन इसका एक साधारण रूप है। कई जीव पक्ष्माभ, कशाभ और स्पर्शक द्वारा संचलन दर्शाते हैं। मनुष्य अपने पाद, जबड़े, पलक, जिह्वा आदि को गतिशील कर सकता है। कुछ संचलनों में स्थान या अवस्थिति परिवर्तन होता है। ऐसे ऐच्छिक संचलनों को गमन कहते हैं। टहलना, दौड़ना, चढ़ना, उड़ना, तैरना आदि सभी गमन या संचलन के ही कुछ रूप हैं। चलन संरचनाओं का अन्य प्रकार की गति में संलग्न संरचनाओं से भिन्न होना आवश्यक नहीं है। उदाहरण के लिए, पैरामिशियम में पक्ष्माभ भोजन की कोशिका-ग्रसनी में प्रवाह और चलन दोनों कार्य होते हैं। हाइड्रा अपने स्पर्शक शिकार पकड़ने और चलन दोनों के लिए प्रयोग कर सकता है। हम अपने पाद शरीर की मुद्रा बदलने के लिए प्रयोग में लाते हैं और चलन के लिए भी। उपर्युक्त प्रेक्षणों से संकेत मिलता है कि गति और चलन का पृथक् रूप से अध्ययन नहीं किया जा सकता है। दोनों के संबंध को इस उक्ति में समाहित किया जा सकता है कि सभी चलन गति होते हैं; लेकिन सभी गति चलन नहीं हैं।
जंतुओं के चलन के तरीके परिस्थिति की माँग और आवास के अनुरूप बदलते हैं। फिर भी चलन की क्रिया प्राय: भोजन, आश्रय, साथी, अनुकूल प्रजनन स्थल, अनुकूल प्राकृतिक स्थिति की तलाश या शत्रुओंभक्षियों से पलायन के लिए की जाती है।
17.1 गति के प्रकार
मानव शरीर की कोशिकाएं मुख्यतः तीन प्रकार की गति दर्शाती हैं, यथा-अमीबीय, पक्ष्माभी और पेशीय। कशामिका गति शुक्राणुओं को तैरने में सहायता करती है, स्पंज के नाल तंत्र में जल संचारण को बनाए रखती है तथा यूग्लीना जैसे प्रोटोजोआ में चलन का कार्य करती है।हमारे शरीर में कुछ विशिष्ट कोशिकाएं, जैसे - महाभक्षकाणु (macrophages) और श्वेताणु (leucocytes) रुधिर में अमीबीय गति प्रदर्शित करती हैं। यह क्रिया जीवद्रव्य की प्रवाही गति द्वारा कूकूट पाद बनाकर की जाती है (अमीबा सदृश)। कोशिका कंकाल तंत्र जैसे - सूक्ष्मतंतु भी अमीबीय गति में सहयोगी होते हैं।
हमारे अधिकांश नलिकाकार अंगों में, जो पक्ष्माभ उपभित्ति से आस्तारित होते हैं, पक्ष्माभ गति होती है। श्वास नली में पक्ष्माभों की समन्वित गति से वायुमंडलीय वायु के साथ प्रवेश करने वाले धूल कणों एवं बाह्य पदार्थों को हटाने में मदद मिलती है। मादा प्रजनन मार्ग में डिंब का परिवहन पक्ष्माभ गति की सहायता से ही होता है। हमारे पादों, जबड़ों, जिह्वा, आदि की गति के लिए पेशीय गति आवश्यक है।
पेशियों के संकुचन के गुण का प्रभावी उपयोग मनुष्य और अधिकांश बहुकोशिकीय जीवों के चलन और अन्य प्रकार की गतियों में होता है। चलन के लिए पेशीय, कंकाल और तंत्रिका तंत्र की पूर्ण समन्वित क्रिया की आवश्यकता होती है। इस अध्याय में आप पेशियों के प्रकार, उनकी संरचना, उनके संकुचन की क्रियाविधि और कंकाल तंत्र के महत्वपूर्ण पहलू के बारे में जानेंगे।
17.2 पेशी
पेशी एक विशेष प्रकार का ऊतक है जिसकी उत्पत्ति अध्यजनस्तर से होती है। एक वयस्क मनुष्य के शरीर के भार का 40-50 प्रतिशत हिस्सा पेशियों का होता है। इनके कई विशेष गुण होते हैं, जैसे- उत्तेजनशीलता, संकुचनशीलता, प्रसार्य एंव प्रत्यास्थता। पेशियों को भिन्न-भिन्न आधारों पर वर्गीकृत किया गया है, जैसे-स्थापन, रंग-रूप और उनकी क्रिया की नियमन पद्धति। स्थापन के आधार पर, तीन प्रकार की पेशियाँ पाई जाती हैं - (i) कंकाल (ii) अंतरंग और (iii) हृद।
कंकाल पेशियाँ शारीरिक कंकाल अवयवों के निकट संपर्क में होती हैं। सूक्ष्मदर्शी द्वारा देखने पर इनमें धारियाँ दिखती हैं, अतः इन्हें रेखित पेशी कहते हैं। चूँकि इनकी क्रियाओं का तंत्रिका तंत्र द्वारा ऐच्छिक नियंत्रण होता है, अतः इन्हें ऐच्छिक पेशी भी कहते हैं। ये मुख्य रूप से चलन क्रिया और शारीरिक मुद्रा बदलने में सहायक होती हैं।
अंतरंग पेशियाँ शरीर के खोखले अंतरंग अगों; जैसे- आहार नाल, जनन मार्ग आदि की भीतरी भित्ति में स्थित होती हैं। ये अरेखित और चिकनी दिखती हैं। अतः इन्हें चिकनी पेशियाँ (अरेखित पेशी) कहते हैं। इनकी क्रिया तंत्रिका तंत्र के ऐच्छिक नियंत्रण में नहीं होती, इसलिए ये अनैच्छिक पेशियाँ कही जाती हैं। ये पाचन मार्ग द्वारा भोजन और जनन मार्ग द्वारा युग्मक (gamete) के अभिगमन (परिवहन) में सहायता करती हैं।
जैसा कि नाम से विदित है, हृद पेशियाँ हृदय की पेशियाँ हैं। कई हृद पेशी कोशिकाएं हृद पेशी के गठन के लिए शाश्वत रचना में एकत्रित होती हैं। रंग रूप के आधार पर, हृद पेशियाँ रेखित होती हैं। ये अनैच्छिक स्वभाव की होती हैं; क्योंकि तंत्रिका तंत्र इनकी क्रियाओं को सीधे नियंत्रित नहीं करता।
कंकाल पेशी की संरचना और संकुचन क्रियाविधि को समझने के लिए हम इसका विस्तार से परीक्षण करेंगें। हमारे शरीर में, प्रत्येक संगठित कंकाल पेशी कई पेशी बंडलों या पूलिकाओं (fascicles) की बनी होती है, जो संयुक्त रूप से कोलैजनी संयोजी ऊतक स्तर से घिरे रहती हैं जिसे संपट्ट (fascia) कहते हैं। प्रत्येक पेशी बंडल में कई पेशी रेशे होते हैं (चित्र 17.1)। प्रत्येक पेशी रेशा प्लाज्मा झिल्ली से आस्तारित होता है
चित्र 17.1 पेशी समूह तथा पेशी तंतु को दर्शाते हुए पेशी का अनुप्रस्थ काट
जिसे सार्कोलेमा कहते हैं। पेशी रेशा एक संकोशिका है क्योंकि पेशीद्रव्य (sarcoplasm) में कई केंद्रक होते हैं। अंत:द्रव्य जालिका अर्थात् पेशी रेशों के पेशीद्रव्य जालिका (सारकोप्लाज्मिक रेटीक्यूलम) कैल्सियम आयनों का भंडार गृह है; पेशी रेशा की एक विशेषता पेशीद्रव्य में समांतर रूप से व्यस्थित अनेक तंतुओं की उपस्थिति है जिसे पेशीतंतु (मायोफिलामेंट) पेशीतंतुक (मायोफाईब्रिल) कहते हैं। प्रत्येक पेशी तंतुक में क्रमवार गहरे एवं हल्के पट्ट (बैंड) होते हैं। पेशी रेशक के विस्तृत अध्ययन ने यह स्थापित कर दिया है कि इनका रेखित रूप दो प्रमुख प्रोटीन - एक्टिन और मायोसिन के विशेष प्रकार के वितरण के कारण होता है। हल्के बैंडों में एक्टिन होता है जिसे I - बैंड या समदैशिक बैंड कहते हैं जबकि गहरे बैंडों को ‘A’ बैंड या विषम दैशिक बैंड कहते हैं जिसमें मायोसिन होता है। दोनों प्रोटीन छड़नुमा संरचनाओं में परस्पर समानांतर पेशी रेशक के अनुदैर्ध्य अक्ष के भी समानांतर व्यवस्थित होते हैं एक्टिन तंतु मायोसिन तंतुओं की तुलना में पतले होते हैं, अतः इन्हें क्रमशः पतले एवं मोटे तंतु कहते हैं। प्रत्येक $\mathrm{I}$-बैंड के मध्य में इसे द्विविभाजित करने वाली एक प्रत्यास्थ रेखा होती है, जिसे ’ $Z$ ‘-रेखा कहते हैं। पतले तंतु ’ $Z$ ‘-रेखा से दृढ़ता से जुड़े होते हैं। ’ $A$ ’ बैंड के मोटे तंतु, ’ $A$ ’ बैंड के मध्य में एक पतली रेशेदार झिल्ली, जिसे ’ $\mathrm{M}$ ‘-रेखा कहते हैं, द्वारा जुड़े होते हैं। पेशी रेशों की पूरी लंबाई में ‘A’ और ‘I’ बैंड एकांतर क्रम में व्यवस्थित होते हैं। दो अनक्रमित ‘Z’-रेखाओं के बीच स्थित पेशी रेशक का भाग एक संकुचन कार्य इकाई बनाता है जिसे सार्कोमियर कहते हैं (चित्र 17.2)। विश्राम की अवस्था में, पतले तंतुओं के सिरे दोनों ओर के मोटे तंतुओं के बीच के भाग को छोड़कर स्वतंत्र सिरों पर अतिच्छादित होते हैं। ( पतले तंतुओं के सिरे मोटे तंतुओं के सिरों के बीच में पाए जाते हैं) मोटे तंतुओं का केंद्रीय भाग जो पतले तंतुओं से अतिच्छादित नहीं होता, ’ $\mathrm{H}$ ‘-क्षेत्र कहलाता है।
चित्र 17.2 (अ) सार्कोमियर को दर्शाते हुए एक पेशी तंतु की संरचना (ब) एक सार्कोमियर का आरेख
17.2.1 संकुचनशील प्रोटीन की संरचना
प्रत्येक एक्टिन (पतले) तंतु एक दूसरे से सर्पिल रूप में कुंडलित दो ’ $\mathrm{F}$ ’ (तंतुमय) एक्टिनों का बना होता है। प्रत्येक ’ $F$ ’ एक्टिन ’ $G$ ’ (गोलाकार) एक्टिन इकाइयों का बहुलक है। एक दूसरे प्रोटीन, ट्रोपोमायोसिन के दो तंतु ’ $F$ ’ एक्टिन के निकट पूरी लंबाई में जाते हैं। एक जटिल ट्रोपोनिन प्रोटीन अणु ट्रोपोमायोसिन पर नियत अंतरालों पर पाई जाती है। विश्राम की अवस्था में ट्रोपोनिन की एक उप-इकाई एक्टिन तंतुओं के मायोसिन के बंध बनाने वाले सक्रिय स्थानों को ढक कर रखती है (चित्र 17.3 अ)।
प्रत्येक मायोसिन (मोटे) तंतु भी एक बहुलक प्रोटीन है। कई एकलकी प्रोटीन जिसे मेरोमायोसिन कहते हैं (चित्र 17.3 ब) एक मोटा तंतु बनाती हैं। प्रत्येक मेरोमायोसिन के दो महत्वपूर्ण भाग होते हैं- एक छोटी भुजा सहित गोलाकार सिर तथा एक पूँछ। सिर को भारी मेरोमायोसिन (HMM) और पूँछ को हल्का मेरोमायोसिन (LMM) कहते हैं। मेरोमायोसिन अवयव अर्थात् सिर एवं छोटी भुजा पर नियत दूरी तथा आपस में एक नियत दूरी नियत कोण पर $\mathrm{A}$ तंतु पर बाहर की तरफ उभरे होते हैं। जिसे क्रास भुजा (कॉस-आर्म) कहते हैं। गोलाकार सिर एक सक्रिय एटिपीऐज एंजाइम है जिसमें एटीपी के बंधन स्थान तथा एक्टिन के लिए सक्रिय स्थान होते हैं।
चित्र 17.3 (अ) एक एक्टिन (पतला) तंतु (ब) एकल मायोसिन (मिरोमायोसिन)
17.2.2 पेशी संकुचन की क्रियाविधि
पेशी संकुचन की क्रियाविधि को सर्पीतंतु सिद्धांत द्वारा अच्छी तरह समझाया जा सकता है जिसके अनुसार पेशीय रेशों का संकुचन पतले तंतुओं के मोटे तंतुओं के ऊपर सरकने से होता है।
केंद्रीय तंत्रिका तंत्र की प्रेरक तंत्रिका द्वारा एक संकेत प्रेषण से पेशी संकुचन का आरंभ होता है। एक प्रेरक न्यूरोन तथा इससे पेशीय रेशे एक प्रेरक इकाई का गठन करते हैं। प्रेरक तंत्रिएक और पेशीय रेशा के सार्कोलेमा की संधि को तंत्रिका-पेशीय संगम या प्रेरक अंत्य पट्टिका कहते हैं। इस संगम पर एक तंत्रिक संकेत पहुँचने से एक तंत्रिका संचारी (एसिटिल कोलिन) मुक्त होता है जो सार्कोलेमा में एक क्रिया विभव (action potential) उत्पन्न करता है। यह समस्त पेशीय रेशे पर फैल जाता है जिससे सार्कोप्लाज्म में कैल्सियम आयन मुक्त होते हैं। कैल्सियम आयन स्तर में वृद्धि से एक्टिन तंतु पर ट्रोपोनिन की उप इकाई से कैल्सियम बंध बनाकर एक्टिन के ढके हुए सक्रिय स्थानों को खोल देता है। ATP के जल अपघटन से प्राप्त ऊर्जा का उपयोग कर मायोसिन शीर्ष एक्टिन के खुले सक्रिय स्थानों से क्रास सेतु बनाने के लिए बँध जाते हैं (चित्र 17.4)।
चित्र 17.4 क्रॉस सेतु के बनने की अवस्थाएं/शीर्ष का घूर्णन तथा क्रॉस सेतु का टूटना
इस बंध से जुड़े हुए एक्टिन तंतुओं ’ $A$ ’ बैंड के केंद्र की तरफ खिंचते हैं इन एक्टिनों से जुड़ी हुई ‘A’ रेखा भी अंदर की तरफ खिंच जाती है जिससे सार्कोमियर छोटा हो जाता है अर्थात् संकुचित हो जाता है। ऊपर के चरणों से स्पष्ट है कि पेशी के छोटा होते समय अर्थात् संकुचन के समय ‘I’-बैंडों की लंबाई कम हो जाती है जबकि ’ $\mathrm{A}$ ‘-बैंडों की लंबाई ज्यों कि त्यों रहती है (चित्र 17.5)। $\mathrm{ADP}$ और $\mathrm{P}_{2}$ मुक्तकर, मायोसिन विश्राम अवस्था में वापस चला जाता है। एक नए ATP के बंधने से क्रास-सेतु टूटते हैं (चित्र 17.4)। मायोसिन शीर्ष ATP को अपघटित कर पेशी के ओर संकुचन के लिए क्रिया दोहराते हैं किंतु तंत्रिका संवेगी के समाप्त हो जाने पर सार्कोप्लाज्मिक रेटीक्यूलम द्वारा $\mathrm{Ca}^{+1}$ के अवशोषण से एक्टिन स्थल पुनः ढक जाते हैं। इसके फलस्वरूप ’ $Z$ ‘-रेखाएं अपने मूल स्थान पर वापस हो जाती हैं; अर्थात् शिथिलन हो जाता है। विभिन्न पेशियों में रेशों की प्रतिक्रिया अवधि में अंतर हो सकता है। पेशियों के बार-बार उत्तेजित होने पर उनमें ग्लाइकोजन के अवायवी विखंडन से लैक्टिक अम्ल का जमाव होने लगता है जिससे थकान (श्रांति) होती है। पेशी में ऑक्सीजन भंडारित करने वाला लाल रंग का एक मायोग्लोबिन होता है। कुछ पेशियों में मायोग्लोबिन की मात्रा ज्यादा होती है जिससे वे लाल रंग के दिखते हैं। ऐसी पेशियों को लाल पेशियाँ कहते हैं। ऐसी पेशियों में माइट्रोकोंड्रिया अधिक होती हैं जो ATP के निर्माण हेतु उनमें भंडारित ऑक्सीजन की बड़ी मात्रा का उपयोग कर सकती हैं। इसलिए, इन पेशियों को वायुजीवी पेशियाँ भी कह सकते हैं। दूसरी तरफ, कुछ पेशियों में मायोग्लोबिन की बहुत कम मात्रा पाई जाती है जिससे वे हल्के रंग की अथवा श्वेत प्रतीत होती हैं। ये श्वेत पेशियाँ हैं। इनमें माइटोकोंड्रिया तो अल्पसंख्यक होती है, लेकिन पेशीद्रव्य जालिका अत्यधिक मात्रा में होती हैं। ये अवायवीय विधि द्वारा ऊर्जा प्राप्त करती हैं।
चित्र 17.5 पेशी संकुचन का सर्पी तंतु सिद्धांत (पतले तंतु की गति एवं $\mathrm{I}$ बैंड तथा $\mathrm{H}$ क्षेत्र की तुलनात्मक आकार)
17.3 कंकाल तंत्र
कंकाल तंत्र में अस्थियों का एक ढांचा और उपास्थियां होती हैं। शरीर की गति में इस तंत्र की महत्वपूर्ण भूमिका होती है। कल्पना कीजिए; जब बिना जबड़ों के भोजन चर्वण करना पड़े और बिना पाद अस्थियों के टहलना हो। अस्थि एवं उपास्थि विशेष प्रकार के संयोजी ऊतक हैं। मैट्रिक्स में लवणों की उपस्थिति से अस्थियाँ कठोर होती हैं जबकि कोंड्रोइटिन (chondroitin) लवण उपास्थियों के मैट्रिक्स को आनन्य (pliable) बनाते हैं। मनुष्य में, यह तंत्र 206 अस्थियों और कुछ उपास्थियों का बना होता है। इसे दो मुख्य समूहों में बाँटा गया है- अक्षीय कंकाल एवं उपांगीय कंकाल।
अक्षीय कंकाल में 80 अस्थियाँ होती हैं जो शरीर की मुख्य अक्ष पर वितरित होती हैं। करोटि, मेरुदंड, उरोस्थि (स्टर्नम) और पसलियाँ अक्षीय कंकाल का गठन करती हैं। करोटि (चित्र 17.6) अस्थियों के दो समुच्चय- कपालीय (cranial) और आननी (facial) से बना है जिनका योग 22 है।
चित्र 17.6 मनुष्य की करोटि का आरेख
कपालीय अस्थियों की संख्या 8 होती है। ये मस्तिष्क के लिए कठोर रक्षक बाह्य आवरण- कपाल को बनाती हैं। आननी भाग में 14 कंकाली अवयव (skeletal elements) होते हैं जो करोटि के सामने का भाग बनाते हैं। एक U - आकार की एकल अस्थि हाइऑइड (hyoid) मुख गुहा के नीचे स्थित होती है, यह भी कपाल में ही सन्निहित है। प्रत्येक मध्यकर्ण में तीन छोटी अस्थियाँ होती हैं-मैलियस, इनकस एवं स्टेपीज। इन्हें सामूहिक रूप से कर्ण अस्थिकाएं कहते हैं। कपाल भाग कशेरूक दंड के अग्र भाग के साथ दो अनुकपाल अस्थिकंदों (occipital condyles) की सहायता से संधियोजन करता है (द्विकंदीय करोटिया डाइकोंडाइलिक स्कल)।
हमारा कशेरुक दंड (चित्र 17.7) क्रम में व्यस्थित पृष्ठ भाग में स्थित 26 इकाइयों का बना है जिन्हें कशेरुक कहते हैं। यह कपाल के आधार से निकलता और धड़ भाग का मुख्य ढांचा तैयार करता है। प्रत्येक कशेरुक के बीच का भाग खोखला (तंत्रकीय नाल) होता है जिससे होकर मेरुरज्जु ( spinal cord) गुजरती है। प्रथम कशेरुक एटलस है और यह अनुकपाल अस्थिकंदों के साथ संधियोजन करता है। कशेरुक दंड, कपाल की ओर से प्रारंभ करने पर, ग्रीवा (7), वक्षीय (12), कटि (5), त्रिक सेक्रमी (1-संयोजित) और अनुत्रिक (1-संयोजित) कशेरुकों में विभेदित होता है। ग्रीवा कशेरुकों की संख्या मनुष्य सहित लगभग सभी स्तनधारियों में 7 (सात) होती है। कशेरुक दंड मेरुरज्जु (spinal cord) की रक्षा करता है, सिर का आधार बनाते हैं और पसलियों तथा पीठ की पेशियों के संधि स्थल का निर्माण करते हैं। उरोस्थि (sternum) वक्ष की मध्य अधर रेखा पर स्थित एक चपटी अस्थि है।
चित्र 17.7 मेरुदंड (दायाँ पार्श्व दृश्य)
पसलियों (Ribs) की 12 जोड़ियाँ होती हैं। प्रत्येक पसली एक पतली चपटी अस्थि है जो पृष्ठ भाग में कशेरुक दंड और अधर भाग में उरोस्थि के साथ जुड़ी होती हैं। इसके पृष्ठ सिरे पर दो संधियोजन सतहें होती हैं जिसके कारण इसे द्विशिरस्थ (bicephalic) भी कहते हैं। प्रथम सात जोड़ी पसलियों को वास्तविक पसलियाँ कहते हैं। पृष्ठ में ये वक्षीय कशेरुकों और अधरीय भाग में उरोस्थि से काचाभ उपास्थि (hyaline cartilage) की सहायता से जुड़ी होती हैं। 8 वीं, 9 वीं और 10 वीं जोड़ी-पसलियाँ उरोस्थि के साथ सीधे संधियोजित नहीं होतीं, बल्कि काचाभ उपास्थि के सहयोग से सातवीं पसली से जुड़ती हैं। इन्हें वर्टिब्रोकांड्रल (कूट) पसलियाँ कहते हैं। पसलियों की अंतिम दो जोड़याँ (11वीं और 12 वीं) अधर में जुड़ी हुई नहीं होतीं, इसलिए उन्हें प्लावी पसलियाँ (floating ribs) कहते हैं। वक्षीय कशेरुक, पसलियाँ और उरोस्थि मिलकर पसली पंजर (rib cage) की संरचना करते हैं (चित्र 17.8)।
चित्र 17.8 पसलियाँ तथा पिंजर
पादों की अस्थियाँ अपनी मेखला के साथ उपांगीय कंकाल बनाती हैं। प्रत्येक पाद में 30 अस्थियाँ पाई जाती हैं अग्रपाद (भुजा) की अस्थियाँ हैं- ह्यूमेरस, रेडियस और अल्ना, कार्पल्स (कलाई की अस्थियाँ - संख्या में 8), मेटा कार्पल्स (हथेली की अस्थियाँ- संख्या में 5 ) और फैलेंजेज (अंगुलियों की अस्थियाँ-संख्या में 14) (चित्र 17.9)। फीमर (उरु अस्थि - सबसे लम्बी अस्थि), टिबिया और फिबुला, टार्सल (टखनों की अस्थियाँ - संख्या में 7), मेटाटार्सल (संख्या में 5) और अंगुलि अस्थियाँ फैलेंजेज (चित्र 17.10)। कप के आकार की एक अस्थि जिसे पटेल्ला (Patella) कहते हैं। घुटने को अधर की ओर से ढकती है (घुटना फलक)।
चित्र 17.9 दाँयी अंस मेखला तथा अग्रपाद अस्थियां (सामने से अभिदर्शित)
अंस और श्रोणि मेखला अस्थियाँ अक्षीय कंकाल तथा क्रमशः अग्र एवं पश्च पादों के बीच संधियोजन में सहायता करती हैं। प्रत्येक मेखला के दो अर्ध भाग होते हैं। अंस मेखला के प्रत्येक अर्ध भाग में एक क्लेविकल एवं एक स्कैपुला होती है (चित्र 17.9)। स्कैपुला वक्ष के पृष्ठ भाग में दूसरे एवं सातवीं पसली के बीच स्थित एक बड़ी चपटी, त्रिभुजाकार अस्थि है। स्कैपुला के पश्च चपटे त्रिभुजाकार भाग में एक उभार (कंटक) एक विस्तृत चपटे प्रबंध के रूप में होता है जिसे एक्रोमिन कहते हैं। क्लैविकिल इसके साथ संधियोजन करती हैं। एक्रोमिन के नीचे एक अवनमन जिसे ग्लीनॉयड गुहा कहते हैं ह्युमूरस के शीर्ष के साथ कंधों की जोड़ बनाने के लिए संधियोजन करती है। प्रत्येक क्लैविकल एक लंबी पतली अस्थि है, जिसमें दो वक्र पाए जाते हैं। इस अस्थि को सामान्यतः जत्रुक ( collar bone) कहते हैं।
चित्र 17.10 दाईं श्रोणि अस्थि एवं पश्च पाद अस्थियाँ (सामने से अभिदर्शित)
श्रोणि मेखला (Pelvic girdle) में दो श्रोणि अस्थियाँ होती हैं (चित्र 17.10)। प्रत्येक श्रोणि अस्थि तीन अस्थियों के संलयन से बनी होती है- इलियम, इस्चियम और प्युबिस। इन अस्थियों के संयोजन स्थल पर एक गुहा एसिटैबुलम होती है जिससे उरु अस्थि संधियोजन करती है। अधर भाग में श्रोणि मेखला के दोनों भाग मिलकर प्युबिक संलयन (Pubic symphysis) बनाते हैं जिसमें रेशेदार उपास्थि होती है।
17.4 संधियाँ या जोड़
संधियाँ या जोड़ हर प्रकार की गति के लिए आवश्यक है जिनमें शरीर की अस्थियाँ सहयोगी होती हैं चलन गति भी इसका अपवाद नहीं है। जोड़ अस्थियों अथवा एक अस्थि एवं एक उपास्थि के बीच का संधिस्थल है। जोड़ों द्वारा गति के लिए पेशी जनित बल का उपयोग किया जाता है। यहाँ जोड़ आलंब (fulcrum) का कार्य करते हैं। इन जोड़ों पर गति विभिन्न कारकों पर निर्भरता के कारण बदलती हैं। जोड़ों को मुख्यतः तीन संरचनात्मक रूपों में वर्गीकृत किया गया है, जैसे- रेशीय, उपास्थियुक्त और साइनोवियल ( स्राव)।
रेशीय जोड़ किसी प्रकार की गति नहीं होने देते। इस तरह के जोड़ द्वारा कपाल की चपटी अस्थियाँ, जो घने रेशीय संयोजी ऊतक की सहायता से सीवन (sutures) के रूप में कपाल बनाने के लिए संयोजित होती हैं।
उपास्थि युक्त जोड़ों में, अस्थियाँ आपस में उपास्थियों द्वारा जुड़ी होती हैं। कशेरुक दंड में दो निकटवर्ती कशेरुकों के बीच इसी प्रकार के जोड़ हैं जो सीमित गति होने देते हैं।
साइनोवियल जोड़ों की विशेषता दो अस्थियों की संधियोजन सतहों के बीच तरल से भी साईनोवियल गुहा की उपस्थिति है। इस तरह की व्यवस्था में पर्याप्त गति संभव है। ये जोड़ चलन सहित कई तरह की गति में सहायता करते हैं। कंदुक खल्लिका संधि ( ह्युमूरस और अंस मेखला के बीच), कब्जा संधि (घुटना संधि), धुराग्र संधि (पाइवट संधी - एटलस और अक्ष के बीच), विसर्पी संधि (ग्लाइडिंग संधि कार्पल्स के बीच) और सैडल जोड़ (अंगूठे के कार्पल और मेटा कार्पल के बीच) इनके कुछ उदाहरण हैं।
17.5 पेशीय और कंकाल तंत्र के विकार
माइस्थेनिया ग्रेविस (Myasthenia gravis): एक स्वप्रतिरक्षा विकार जो तंत्रिका- पेशी संधि को प्रभावित करता है। इससे कमजोरी और कंकाली पेशियों का पक्षघात होता है।
पेशीय दुष्पोषण (Muscular dystrophy): विकारों के कारण कंकाल पेशी का अनुक्रमित अपह्नासन।
अपतानिका : शरीर में कैल्सियम आयनों की कमी से पेशी में तीव्र ऐंठन।
संधि शोथ (Arthritis): जोड़ों की शोथ।
अस्थि सुषिरता (Osteoporosis) : यह उम्र संबंधित विकार है जिसमें अस्थि के पदार्थो में कमी से अस्थि भंग की प्रबल संभावना हैं। एस्ट्रोजन स्तर में कमी इसका सामान्य कारक है।
गाउट (Gout): जोड़ों में यूरिक अम्ल कणों के जमा होने के कारण जोड़ों की शोथ।
सारांश
गति सजीवों की एक आवश्यक विशेषता है। जीवद्रव्य की प्रवाही गति, पक्ष्माभी गति, पख, पादों, पंखों, आदि की गति प्राणियों द्वारा दर्शित गतियों के कुछ रूप हैं। ऐच्छिक गति जिनसे प्राणियों में स्थान परिवर्तित होता है, चलन कहलाती है। प्राणी प्राय: भोजन, आश्रय, साथी, प्रजनन स्थल, अनुकूल प्राकृतिक स्थिति की तलाश या अपनी रक्षा के लिए चलते हैं।
मनुष्य शरीर की कोशिकाएं अमीबीय, पक्ष्माभी और पेशीय गति दर्शाती हैं। चलन और अन्य प्रकार की गतियों के लिए समन्वित पेशीय क्रियायों की आवश्यकता होती है। हमारे शरीर में तीन प्रकार की पेशियाँ होती हैं। कंकाल पेशियाँ कंकाल अवयवों से जुड़ी होती हैं। वे रेखित एवं ऐच्छिक स्वभाव की होती हैं। अंतरंग अंगों की भीतरी भित्ति में स्थित अंतरंग पेशियाँ अरेखित एवं अनैच्छिक होती हैं। हृद पेशियाँ हृद्य की पेशियाँ हैं। वे रेखित, शाखित और अनैच्छिक होती हैं। पेशियों में उत्तेजनशीलता, संकुचनशीलता, प्रसार्य और प्रत्यास्थता जैसे गुण होते हैं।
पेशीरेशा, पेशी की शारीरीय इकाई है। प्रत्येक पेशीरेशे में कई सामानांतर रूप से व्यवस्थित पेशीतंतुक (मायोफाईब्रिल) होते हैं। प्रत्येक पेशीतंतुक में कई क्रमवार व्यवस्थित क्रियात्मक इकाइयाँ, सार्कोमियर होते हैं। प्रत्येक सार्कोमियर के केंद्र में घने मायोसिन तंतुओं से बना $\mathrm{A}$-बैंड, और $\mathrm{Z}$-रेखा के दोनों तरफ पतले एक्टिन तंतुओं से बने दो अर्द्ध $\mathrm{I}-$ बैंड होते हैं। एक्टिन और मायोसिन संकुचनशील बहुलक प्रोटीन हैं। विश्राम की अवस्था में, एक्टिन तंतु पर मायोसिन के लिए सक्रिय स्थान ट्रोपोनिन (प्रोटीन) से ढके होते हैं। मायोसिन शीर्ष पर एटिपेज, एटीपी बंध स्थल और एक्टिन के लिए सक्रिय स्थान होते हैं। पेशीरेशे में प्रेरक तंत्रिका के संकेत से क्रिया विभव उत्पन्न होती है। इससे सार्कोप्लाजमिक जालिका कैल्सियम आयन $\left(\mathrm{Ca}^{++}\right)$मुक्त करती है। कैल्सियम आयन एक्टिन को मायोसिन के शीर्ष से कॉस-सेतु निर्माण हेतु सक्रिय करते हैं। ये क्रास-सेतु एक्टिन तंतुओं को खींचते हैं जिससे एक्टिन तंतु मायोसिन तंतुओं पर सरकने लगते हैं और संकुचन होता है। तत्पश्चात् कैल्सियम आयन सार्कोप्लाजमिक जालिका में वापस चले जाते हैं, जिससे एक्टिन निष्क्रिय हो जाते हैं। कॉस-सेतु टूट जाता है और पेशियाँ शिथिलित हो जाती हैं।
बार-बार उत्तेजित करने से पेशी में थकान ( श्रांति) हो जाती है। लाल रंग के मायोग्लोबिन वर्णक की मात्रा की उपस्थिति के आधार पर पेशियाँ लाल और श्वेत पेशी रेशों में वर्गीकृत की गई हैं।
अस्थियाँ एवं उपास्थियाँ कंकाल तंत्र बनाते हैं। कंकाल तंत्र को अक्षीय और उपांगीय प्रकारों में विभाजित किया गया है। करोटि, कशेरुक दंड, पसलियाँ और उरोस्थि अक्षीय कंकाल बनाते हैं। पाद अस्थियाँ और मेखला उपांगीय कंकाल का गठन करते हैं। अस्थियों या अस्थि और उपास्थि के बीच तीन प्रकार के जोड़ (संधि) पाए जाते हैं- रेशीय, उपास्थियुक्त और साइनोवियल। साइनोवियल जोड़ों में पर्याप्त गति संभव है और इसलिए ये चलन में महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं।
अभ्यास
1. कंकाल पेशी के एक सार्कोमियर का चित्र बनाएं और विभिन्न भागों को चिंह्नित करें।
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#Content Missing2. पेशी संकुचन के सर्पी तंतु सिद्धांत को पारिभाषित करें।
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#Content Missing3. पेशी संकुचन के प्रमुख चरणों का वर्णन करें।
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#Content Missing4. ‘सही’ या ‘गलत’ लिखें:
(क) एक्टिन पतले तंतु में स्थित होता है।
(ख) रेखित पेशीरेशे का $\mathrm{H}$-क्षेत्र मोटे और पतले, दोनों तंतुओं को प्रदर्शित करता है।
(ग) मानव कंकाल में 206 अस्थियाँ होती हैं।
(घ) मनुष्य में 11 जोड़ी पसलियाँ होती हैं।
(च) उरोस्थि शरीर के अधर भाग में स्थित होती है।
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#Content Missing5. इनके बीच अंतर बताएं:
(क) एक्टिन और मायोसिन
(ख) लाल और श्वेत पेशियाँ
(ग) अंस एवं श्रोणि मेखला
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#Content Missing6. स्तंभ I का स्तंभ II से मिलान करे:
स्तंभ I | स्तंभ II |
---|---|
(i) चिकनी पेशी | (क) मायोग्लोबिन |
(ii) ट्रोपोमायोसिन | (ख) पतले तंतु |
(iii) लाल पेशी | (ग) सीवन (suture) |
(iv) कपाल | (घ) अनैच्छिक |
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#Content Missing7. मानव शरीर की कोशिकाओं द्वारा प्रदिर्शित विभिन्न गतियाँ कौन सी हैं?
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#Content Missing8. आप किस प्रकार से एक कंकाल पेशी और हृद पेशी में विभेद करेंगे?
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#Content Missing9. निम्नलिखित जोडों के प्रकार बताएं:
(क) एटलस/अक्ष (एक्सिस)
(ख) अंगूठे के कार्पल/मेटाकार्पल
(ग) फैलेंजेज की बीच
(घ) फीमर/एसिटैबुलम
(च) कपालीय अस्थियों के बीच
(छ) श्रोणि मेखला की प्युबिक अस्थियों के बीच
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#Content Missing10. रिक्त स्थानों में उचित शब्दों को भरें:
(क) सभी स्तनधारियों में (कुछ को छोड़कर) ___________ ग्रीवा कशेरुक होते हैं।
(ख) प्रत्येक मानव पाद में फैलेंजेज की संख्या ___________ है।
(ग) मायोफाइब्रिल के पतले तंतुओं में $2^{\prime} \mathrm{F}$ ’ एक्टिन और दो अन्य दूसरे प्रोटीन, जैसे ___________ और _________ होते हैं।
(घ) पेशी रेशा में कैल्सियम ___________ में भंडारित रहता है।
(च) ___________ और ___________ पसलियों की जोड़ियों को प्लानी पसलियाँ कहते हैं।
(छ) मनुष्य का कपाल ___________ अस्थियों से बना होता है।