운동에서 피부의 역할

Role of skin in locomotion

운동에서 피부의 역할은 중추계가 운동과 어떻게 관련되어 있는지를 묘사한다.전형적으로 신경계는 피부라고 생각할 수 있지만, 신경계는 절지동물과 새의 깃털에 있는 분할된 외골격도 포함한다.통합체계의 주요 역할은 신체를 보호하는 것이다.그러나, 피부의 구조는 동물들의 서로 다른 이동 방식을 돕기 위해 진화해왔다.불가사리와 같은 부드러운 몸매를 가진 동물들은 이동을 위해 관 발의 섬유 배열에 의존한다.뱀장어, 뱀, 물고기는 외부의 힘줄처럼 피부를 이용하여 비운동적인 운동에 필요한 추진력을 만들어 낸다.날고, 활공하고, 낙하산을 타는 척추동물들은 또한 비행 중 경험하는 스트레스와 긴장감 동안 피부가 구조적 무결성을 유지할 수 있게 해주는 비행막의 특징적인 섬유 배치를 가지고 있다.

무척추동물의 부드러운 보디드 이동

octopus.
문어의 팔은 근육질 하이드로스타트다.

"부드러운 보디드"라는 용어는 골격 지지의 전형적인 시스템이 결여된 동물을 일컫는데, 여기에는 대부분의 곤충 애벌레와 진짜 벌레가 포함된다.부드러운 몸매를 가진 동물들은 몸의 기하학적 구조와 형태에 의해 제약을 받는다.그러나 그들이 움직여야 할 힘을 만들어 내는 것은 그들의 신체의 기하학과 형태다.부드러운 보디드 피부의 구조는 무늬가 있는 섬유 배열로 특징지어질 수 있는데, 이것은 부드러운 보디드 동물을 위한 모양과 구조를 제공한다.패턴이 있는 섬유 층의 내부에는 일반적으로 액체 충전된 공동이 있는데, 이 공동은 이동을 위한 정수압을 생성하는 데 사용된다.[1]부드러운 몸놀림을 보이는 몇몇 동물들에는 불가사리, 문어, 편충 등이 있다.

정수골격

정수골격은 근육수축에서 발생하는 정수압을 액체로 채워진 충치에 대해 사용한다.액체로 채워진 충치를 흔히 정수체라고 부른다.정수체 내의 액체는 무압축성 액체로 작용하며 정수체의 체벽은 근육수축에 대한 수동적인 탄성적 길항제(passive 탄력적 대항제)를 제공하며, 이는 다시 힘을 발생시키고, 다시 움직임을 만들어낸다.[2]이 구조는 무척추동물 지지대와 기관차 계통에서 역할을 하며 불가사리와 벌레의 몸통에서 관발에 사용된다.[1] 정수골격의 전문화된 버전은 근력 하이드로스타트라고 불리며, 정수체를 둘러싸고 있는 3차원 근육섬유의 빽빽한 배열로 구성되어 있다.[3]근육질의 하이드로스타트의 예로는 문어와 코끼리 코의 팔이 있다.

섬유배열

좌우 나선형

결합조직섬유와 근육섬유의 배치는 부드러운 보디드 동물의 골격지대를 만들어낸다.정수체 주위의 섬유 배치는 정수체(연성 보디드 동물의 "몸")의 이동 범위를 제한하고 정수체 이동 방식을 규정한다.

근육섬유

전형적으로 근육 섬유가 정수체를 둘러싸고 있다.움직임을 담당하는 근육섬유 방향에는 원형 방향과 종방향 방향의 두 가지 주요 유형이 있다.[4]원형근육은 정수체의 지름을 감소시켜 몸길이가 늘어나는 반면, 세로근육은 정수체의 길이를 짧게 해 몸의 지름이 늘어난다.정수골격의 움직임에는 신장, 단축, 굽힘, 비틀림 등 4가지 범주가 있다.정수체 길이의 증가를 수반하는 연장은 원형 근육, 횡근육, 또는 방사형 근육배열을 필요로 한다.가로근육 배열을 위해 정수체 길이를 따라 연장되는 평행 근육 섬유 시트.방사형 근육 배열을 위해 방사형 근육은 긴 축에 수직인 축을 따라 중심 축에서 방사된다.단축은 종근육의 수축과 관련이 있다.쇼트닝과 휨 모두 세로근육의 수축을 수반하지만, 휨운동의 경우 일부 적대근육이 세로근육과 시너지 효과를 발휘한다.움직임의 진폭은 적대적 근육의 힘과 적대적 근육이 움직임을 위해 제공하는 지렛대의 양에 기초한다.비틀림 운동을 위해 근육은 정수체 주위의 나선층에 배치된다.섬유각(섬유가 몸의 긴 축으로 만드는 각도)은 비틀림에 결정적인 역할을 하는데, 만약 각도가 54°44'보다 크면 근육 수축 중에 비틀림과 연장이 일어난다.섬유 각도가 54°44' 미만일 경우 비틀림과 단축이 발생한다.[4]

결합조직섬유

결합조직 섬유의 배열이 신체의 운동 범위를 결정하며, 근육수축에 대항하는 대항제 역할을 한다.[4]부드러운 보디드 동물을 위해 가장 흔히 관찰되는 결합 조직 배열은 수압체를 둘러싸고 있는 결합 조직 섬유의 오른쪽과 왼쪽 나선 층으로 이루어져 있다.이 교차 나선 배열은 관발 불가사리, 문어의 다른 종류의 벌레와 빨랫감에서 볼 수 있다.이 교차 나선 배열은 결합 조직 층이 정수체 전체에 힘을 균등하게 분배할 수 있도록 한다.또 다른 공통적으로 관찰되는 결합조직 섬유 범위는 결합조직 섬유가 근육층 내에 박혀 있을 때입니다.이러한 결합조직 섬유의 배열은 더 단단한 체벽과 더 많은 근육의 대립을 만들어 내는데, 이것은 이동 중에 더 많은 탄성력이 생성되고 방출될 수 있게 한다.[4]이 섬유 배열은 오징어의 맨틀에서, 상어의 지느러미에서 볼 수 있다.


척추동물의 특화된 기능

수영 및 비보행 운동

이 동물의 피부는 걷지 않는 운동을 이용하여 보행하는 몇 가지 뚜렷한 특징을 가지고 있다.이들 동물의 피부는 피부의 피부층에 박혀 있는 콜라겐과 엘라스틴 섬유의 교차헬리컬 배열로 이루어져 있는데,[5] 2차원 뻣뻣함이다.그것은 작은 곡선으로 구부릴 수 있고 높은 곡선으로 구부릴 수 있는 저항력을 가지고 있으며 피부는 밑의 근육에 직접 부착된다.물고기, 상어, 뱀은 모두 비도덕적인 운동을 이용해 달리는 동물의 예다.

뱀장어

Closeup image of the skin of a marbled eel.
장어 껍질 클로즈업 이미지

두 가지 피부섬유 타입 콜라겐과 엘라스틴의 교차 나선섬유 배열이 장어 껍질에서 보이는 2차원 강직성 등 피부의[6] 기계적 성질을 담당한다.세로 방향에서 뱀장어 껍질은 후프 방향의 피부보다 덜 내성적인 강도로 순수 섬유계처럼 작용한다.후프 방향의 피부는 세로 방향의 피부보다 탄성 계수가 높다.[7]2차원 강성으로 장어의 몸체는 장어가 움직이는 방법을 지시하는 십자 나선 배열의 섬유 각도로 가압 실린더 모델을 제작할 수 있다.뱀장어 껍질은 섬유 각도가 45°[7] 이상인 피부처럼 행동한다.교차 나선섬유배열이 있는 뱀장어에서는 전방의 근육수축이 생선을 구부려 볼록한 쪽의 피부가 세로 방향으로 확장된다.세로 방향의 확장은 이러한 치수 변화가 뱀장어 몸체에 의해 저항될 때까지 섬유 각도가 감소함에 따라 후프 방향의 수축이 발생한다.피부는 피부가 되고, 추가적인 세로방향 힘(피부에 의해 가해지는 힘)은 꼬리를 따라 힘이 전달된다.따라서 뱀장어 가죽의 교차 나선 배열의 섬유 각도가 변화하면 수영 중 피부를 통한 힘의 전달이 가능하다.[7]피부는 장어가 근육 수축 당 더 큰 추진력을 발생시킬 수 있도록 외부 힘줄처럼 작용한다.장어 껍질이 외부 힘줄 역할을 하는 것 외에도 피부는 밑의 근육에 직접 부착되기 때문에 장어가 근육 수축당 훨씬 더 큰 힘을 낼 수 있다.

롱노세 가

롱노즈 가의 피부 클로즈업

롱노세 가의 크게 확장된 피부 때문에 일부 기계적 특성은 장어 껍질이 어떻게 움직임을 더하는지를 설명하는 모델과 다르다.스케일 행은 장어 껍질과 달리 세로 방향의 피부를 더욱 단단하게 만들어 근미어에게 힘줄을 당기는 레버리지와 정착구를 제공한다.낮은 곡선에서는 몸의 오목한 면과 볼록한 면 모두 진피가 느슨한 것으로 나타난다.진피를 장력에 놓고 굽힘에 대한 저항력이 발달했을 때, 이를 생선 껍질의 휨강성이라고 한다.휨강성은 롱노즈 가와 같이 크기가 큰 피부를 가진 물고기의 2차원 뻣뻣함이 원인이다.물고기 가죽의 이러한 기계적 특성은 물고기가 헤엄치는 방식에 중요하다. 왜냐하면 이 기계적 특성은 수동적으로 몸을 경직시키므로, 그렇지 않았다면 근육으로 이루어졌을 것이다.[8]생선 껍질의 휨강성은 장어 껍질이 외부 힘줄 역할을 하는 메커니즘과 유사한 방식으로 작용하지만, 생선 껍질의 경우 휨강성은 추진력을 발생시키기보다는 몸의 움직임을 감속시키는 메커니즘으로 작용한다.

뱀

뱀은 피부만으로도 운동하기에 충분한 몇 안 되는 척추동물 중 하나이다.직선운동 중에는 골격이 고정된 상태로 유지되는 반면 피부는 번갈아 들어올려 앞으로 당긴 다음 지면에 닿게 하고 뒤로 당겨서 몸을 앞으로 밀어낸다.

뱀가죽의 흥미로운 측면 중 하나는 세로 방향의 눈금 행 사이에 있는 정사각형 사이의 피부 주름이다.[9]이러한 접힘의 기능은 뱀의 둘레가 늘어나게 하여 먹이를 느끼는 동안 뱃속으로 통과할 수 있게 하는 것이다.[10]뱀은 피부가 딱딱해지는 방향에서 뱀장어와 다른 점이 있는데, 등축열은 스트레칭과 관련된 등축열이기 때문에 뱀장어보다 뱀장어가 더 유연하다.[10]각질간 피부 내 콜라겐 섬유의 지름과 방향의 변화 등 국소 피부 구조의 차이는 뱀 피부의 기계적 특성에 국소적 차이를 만들어 먹이는 과정 중 스트레스와 변종에 적응할 수 있게 한다.[11]

항공운행

글라이딩, 플라잉, 낙하산은 동물들이 사용하는 공중 이동의 일부 방법이다.척추동물은 피부의 구조를 변화시켜 비행의 스트레스와 변종을 수용했다.일반적으로 포유류의 피부는 펠트-워크 패턴으로 배열된 콜라겐 섬유로 구성되며, 선호하는 섬유 방향이 없다.[12]그러나 박쥐, 새, 글라이딩 도마뱀의 피부 구조는 전형적인 포유류 피부 구조와는 매우 다르다.박쥐 날개 피부 내의 섬유들의 구조적인 배열은 박쥐가 펄럭이는 다운 스트로크 동안 스프링처럼 행동할 수 있게 해준다.글라이딩 도마뱀의 비늘은 도마뱀이 에어포일 역할을 할 수 있도록 일정한 갈비뼈 모양으로 배열되어 있다.아바인 피부는 구조적으로 "깃털의 코트"가 비행 중에 매끄럽고 온전하게 유지되도록 배열되어야 한다.

박쥐

The wing of a bat
"비계 같은 메쉬"의 섬유를 보여주는 박쥐 날개 피부 그림
코끼리 가죽에서 본 섬유패턴 같은 느낌의 클로즈업 뷰

박쥐는 날개에 있는 피부에 의존하여 날 때 사용하는 양력과 추진력을 만들어 낸다.따라서 박쥐 날개 피부의 구조는 박쥐 본체의 피부와는 다르다.박쥐 날개 피부는 표피층 사이에 얇은 진피층/저피층 층을 가진 두 개의 얇은 표피층으로 구성되어 있는 반면, 박쥐 본체의 피부는 표피층 내부에 두꺼운 진피층이 있는 하나의 표피층으로 구성되어 있다.박쥐 날개 피부의 진피층과 표피층 내에서 결합조직과 근육섬유가 구조적인 지지력을 제공한다.박쥐 날개 피부 속 결합조직 섬유는 콜라겐과 엘라스틴 섬유 뭉치로 구성돼 신경과 골격근섬유, 혈관이 직접 박혀 있는 '비계처럼 규칙적인 망사'[13]로 배열돼 있다.는 메시는 비계에 자신을 근육들, 더 큰 근육을 뼈에 나오는 반면,는 메시는 비계 내에서 기원하여 작은 근육 순, 콜라겐 섬유에 섬유 네트워크 내에서 뼈와 하중modulate하고 첨부합니다 flight,[14]동안 박쥐의 날개 막 긴장과 캠버를 통제하 f는 피부에 닻을 내리또는날개 모양과 장력을 정밀하게 [14]제어뱀에서 보듯이 섬유의 배열 내에서의 국부적 구조적 차이는 국부의 기계적 성질을 변화시키지만 박쥐 날개 피부의 기계적 행동을 설명하는 일반적인 특징이 있다.박쥐 날개 피부의 메쉬 비계 내에서 콜라겐 섬유는 뼈의 긴 축에 수직으로 뼈를 교차하므로 뼈의 긴 축에 수직으로 향하는 박쥐 날개 피부의 기계적 성질은 신체의 긴 축에 평행하게 향하는 피부보다 낮은 경직성을 보인다.박쥐 날개 피부가 뼈의 긴 축과 평행한 방향으로 향하게 되면 박쥐 날개 피부가 비행 중(뼈에 대한) 너무 많이 변형되지 않게 되어 박쥐 날개 피부가 뼈에서 벗겨지는 것을 방지할 수 있다.유연한 피부는 비행 중 이동과 통제에 필요한 모양 변화를 촉진하기 위해 뼈의 긴 축에 수직인 방향으로 필요하다.[14]박쥐 날개 피부의 이러한 음이소트로피는 탄성 에너지를 저장 및 방출하는 방법으로도 유용하며, 특히 다운 스트로크 동안에도 유용하다.[14]다운 스트로크 동안, 박쥐는 날개를 펴고 날개 피부는 공기역학적 힘을 경험한다.날개 피부는 공기역학적 힘을 확장하고 상쇄시킨다.날개가 완전히 확장된 후 날개의 방향은 거의 수직이 되고 날개의 공기역학적 힘이 감소한다.공기역학적 힘이 줄어들면서 날개가 뒤로 물러서며, 고공행진에 대비해 날개의 숫자를 함께 끌어모으는 것이다.

글라이딩 도마뱀

도마뱀이 공중에서 미끄러지는 두 가지 다른 메커니즘이 있다.두 가지 메커니즘 모두 파타지아를 포함한다.

능동 낙하산 장치

능동적 메커니즘에서는 골격 지지대와 근육이 도마뱀의 패타지아를 통해 흐른다.골격 지지대와 근육은 비행막을 세우고 파타지아를 이용하여 글라이딩을 조절한다.이 활공 활공 기구를 보여주는 도마뱀의 대부분은 드라코 속 도마뱀과 같은 아가민 도마뱀이다.도마뱀에서 미끄러지는 수동적인 메커니즘을 위해, 파타지아는 기압만으로 풀린다.패시브 메카니즘의 패타지아는 액티브 메카니즘의 패타지아와는 다르다; 패시브 글라이딩 메카니즘을 가진 활공 도마뱀의 패타지아에는 골격 지지와 근육질의 부족이 있다.글라이딩의 수동적 메커니즘은 피티초순 속 도마뱀과 같은 작은 도마뱀에서 볼 수 있다.글라이딩의 수동적 메커니즘을 위해, 몸놀림은 글라이딩 도마뱀의 하강을 조절하는 것으로 여겨진다.[15]

패시브 낙하산 메커니즘

글라이딩 메커니즘이 다른 도마뱀의 표면적 대 체적 비율은 비슷하지만, 표면적이 분포하는 방식은 다르다.표면적 분포의 차이는 다른 비행 메커니즘에 대한 파타기아와 부속 영역의 역할의 차이를 나타낸다.수동적 글라이딩 메커니즘을 가진 도마뱀은 능동적 비행 메커니즘을 가진 도마뱀에 비해 작은 파타기아를 갖는 경향이 있다.그러나 수동적 비행 메커니즘을 가진 도마뱀은 능동적 활공 메커니즘을 가진 도마뱀보다 부속 영역(즉, 물갈퀴 발가락, 꼬리)에 위치한 광석 표면적을 가지고 있다.[16]

피티초순 쿠흘리의 파타기아 피부 구조와 날으는 도마뱀붙이의 패타기아 부속 부위는 5층으로 구성되어 있으며, 수동적인 글라이딩 메커니즘을 보여주고 있다; 지방조직의 층은 양쪽에 진피층으로 둘러싸여 있다(발판과 등지), 표피 층은 두 개의 피부 층에 외부적이다.지방조직 IS의 분포는 체벽에 가장 가깝다.체벽에 가까운 이 두꺼운 지방조직 층은 체벽 근처의 피부의 구조적 요소(즉, 콜라겐 섬유)에 "안전인자"를 제공하는 것으로 생각된다.[16]지방 조직의 두꺼운 층은 신체 벽의 구조적 요소(즉, 갈비, 근육)보다 더 준수하므로 피부의 구조적 요소들이 힘을 경험하기 전에 더 쉽게 변형(흡수력)할 것이다.지방 조직의 층은 또한 파타기아의 돔과 캠브레이드를 만드는 데 도움을 준다.파타기아의 피부층 구조와 관련하여, 파타기랄 늑골의 축과 평행하게 향하는 콜라겐 섬유층의 두꺼운 층이 있다.[16]이 콜라겐 섬유는 파타기아의 형태를 위한 구조적인 지지대 역할을 하며, 형태변화에 저항하는 데 필요한 강성을 제공한다.파타기아의 표피층의 가장 두드러진 특징은 비늘이다.파타기아의 등축척도의 형태학은 그 기능적 역할의 결과로 변화한다.파타기아의 등저울의 상당 부분이 갈비뼈 모양의 규칙적인 무늬로 배열되어 있어 공기의 흐름을 안내하고 도마뱀이 에어포일처럼 행동할 수 있도록 한다.[16]그러나 경첩 관절(파타지아가 접혀 사지에 부착되는 곳)에서는 비늘의 정규 늑골과 같은 구조가 보다 무작위적인 비늘 분포로 분해된다.이러한 저울의 파괴는 풀리지 않는 과정 동안 파타기의 기계적 하중을 돕고 또한 비행 중에 파타기가 풀리는 정도를 결정하는 데 도움이 된다고 여겨진다.[16]

새들

딱따구리의 날개

새의 피부는 깃털이 있기 때문에 활공 도마뱀이나 박쥐의 피부보다 조금 더 복잡하다.조류피부는 비행과 관련된 응력 및 얼룩 외에도 '깃털의 외투'를 감시하고 고정시키는 수단을 제공해야 하므로 조류피부의 구조는 다른 날거나 미끄러지는 동물의 피부와는 다르다.조류 가죽의 구조를 더 잘 이해하기 위해, 조류 가죽은 세 가지 다른 기능 요소로 분해되었다.

  • 깃털의 수압틀레토기.

이 기능적 구성요소는 깃털 트레이의 구조적인 특징 중 하나, 즉 커티스와 결합조직층 페시아 피상체로 구성된다.이 기능성분은 큐티스와 페시아 안에 내장되어 있는 지방체가 정수성 골격의 정수체와 유사하게 작용한다는 사실 때문에 "유체성 골격"으로 명명되었다.그러나 깃털의 수력근육기구 내에서 지방체의 기능적 역할은 깃털의 수축근육과 수축근육에 의해 발생하는 힘에 대항하는 것이다.[17]신체 내부의 움직임을 촉진하기 보다는

  • 피하근육계.

조류 피부의 이 기능적 구성요소는 개구부의 매끄러운 근육과 벗겨진 피하 근육으로 구성되어 있다.입구의 매끄러운 근육은 깃털 모낭이 경험하는 수평력에 대항한다.[17]또한 줄무늬 피하근은 매끄러운 근육이 할 수 없는 방향으로 깃털 모낭의 위치를 조절한다.[17]함께 이 시스템은 깃털을 새의 몸체에 적절히 배치하는 통합된 근육계통 역할을 한다.

  • 피하 수압 골격계

조류 피부의 이 기능적 성분은 페시아 피상체와 페시아 아부카네아의 뚱뚱한 몸체로 구성되어 있다.뚱뚱한 몸의 대부분은 페시아 피상체와 페시아 아부체 사이에 위치한다.이 뚱뚱한 몸체는 새의 몸 안에서 우울한 상태에 위치하며, 편직된 근육 기구의 깃털 부분이 제대로 기능하도록 압력을 균등하게 하는 기능을 한다.[17]

참고 항목

참조

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외부 링크