Bone

Japanese: 骨 - ほね

A component of the skeleton of vertebrates, made up of bone tissue. It is sometimes called bone because cartilage is also included in the category of bone. Bones surround and protect the entire body or important organs, work with attached muscles to function as organs of movement, and act as supportive organs for the body. Bones are classified into long bones, short bones, and flat bones (or membranous bones) according to their shape. The surface of each is made of dense bone tissue, and the interior is made of coarse, spongy cancellous bone tissue, or it is lacking this, forming a cavity. In modern vertebrates, bones are more developed than in bony fishes, but there are two types of bone formation: bone tissue is formed immediately within connective tissue (flat bones such as the parietal bone) and bone is formed after cartilage is formed first and then absorbed and lost (long bones such as the femur and short bones such as the finger bones). In other words, bone formation is modeled on cartilage. Bone growth occurs when bone material is added to the outside, like a snowman getting bigger. Bones grow in a shapely way because not only is new bone added, but unnecessary parts are also absorbed, and the inside and outside of the bone are scraped away, causing changes in the curvature of the curved skull cap and remodeling of long bones.

[Seiichiro Kawashima]

Bone cells

In bone tissue, small chambers called bone lacunae are scattered throughout the bone, and osteocytes are embedded in them. Osteocytes communicate with each other through numerous thin protoplasmic processes (called bone canaliculi), and also with blood vessels through these processes. Osteocytes are osteoblasts (also called bone-forming cells) that are enclosed in the bone they created themselves and gradually lose their ability to form bone. Bone is made up of organic and inorganic matter packed between collagen fibers. Osteoblasts are cells of the mesenchyme in embryos, and fibroblasts or reticular cells in adults that have enlarged and differentiated. Before differentiating into osteoblasts, cells are undifferentiated cells with the ability to proliferate, and are called osteoprogenitor cells of bone tissue cells. Most osteoblasts become bone cells, but some are said to return to stem cells.

[Seiichiro Kawashima]

Fossilized bones

Fossils are the remains of organisms and ruins found in strata, and are examined to identify ancient organisms. Some fossils leave only impressions of the organism, while others preserve even the soft parts of the body. However, bones, the hard parts of ancient organisms, are generally more likely to remain as fossils due to their large quantities. The skeletal systems of vertebrates are divided into exoskeletons and endoskeleton, and fossils of exoskeletons include the carapaces of osteoids and placoderms, the dermal dentition of sharks, the scales of bony fish, and the bony plates of reptiles. The majority of fossil bones are endoskeleton, including the axial skeleton centered on the spinal column of vertebrates, and most of the bones of the appendages.

[Seiichiro Kawashima]

Bones in the human body

Inside the human body, numerous bones and cartilages combine to form the skeleton, which supports the body and protects the internal organs. A skeleton that performs this function is called an endoskeleton. In the early stages of development, the endoskeleton takes the form of cartilage tissue, which then becomes bone tissue (primitive bones and replacement bones). In contrast, what is called an exoskeleton develops directly from connective tissue into bone tissue (connective tissue bones). Exoskeletons include the shells of mollusks, the chitinous outer layer of arthropods, and the upper bones of the skull and facial bones of vertebrates.

[Kazuyo Shimai]

Types and Structure

The human body has over 200 bones, but the number is uncertain because the state of bone fusion varies depending on the age and individual, and some bones (sesamoid bones) form within tendons and ligaments. A special type of bone is the auditory ossicles, located in the left and right middle ears. Each of these consists of three bones. Depending on their shape, bones are classified as long bones, short bones, flat bones, and pneumatic bones. Long bones have thickened epiphyses at both ends of a hollow, slender shaft (called the bone body), and examples of these include the femur, clavicle, and phalanges. Examples of short bones include the carpal bones, foot bones, and vertebrae, while examples of flat bones include the calvarium, scapula, and hipbone. A pneumatic bone is a bone that contains one or more small cavities inside it, such as the maxilla and ethmoid. A single bone may also contain a combination of various shapes.

Although the diaphysis and epiphysis are the same cartilage tissue, they begin to develop from different ossification points, so there is a plate-like cartilage tissue (epiphyseal cartilage) between the diaphysis and epiphysis. The epiphyseal cartilage ossifies as it grows, but some may remain as it is and become the epiphyseal line. The epiphysis forms an articular surface between the epiphysis of the adjacent bone, and this articular surface is covered with articular cartilage. The entire surface of bones in living organisms, except for the articular surface, is always covered by the periosteum, a connective tissue.

The surface layer of the bone body is made up of hard, thick compact bone. Thin bony plates (cancellous trabeculae) are scattered inward from the compact bone, forming a soft cancellous structure. This is called spongy bone, and is particularly developed at the epiphysis. In compact bone, bone tissue is arranged in layers, while in cancellous bone, the bone trabeculae form a meshwork structure, and these structures are extremely rationally constructed both mechanically and architecturally in terms of their resistance to external forces. Most bones also have a hollow medullary cavity inside. The medullary cavity is also connected to small cavities formed by the bone trabeculae within the cancellous bone, and both are filled with bone marrow.

Bone marrow is a hematopoietic tissue that actively produces blood cells. Bone marrow with active blood cell production appears red to the naked eye and is called red bone marrow. In adults, red bone marrow is distributed in some of the epiphyses, short bones, and spongy bones of flat bones, but in children it is distributed in all bones, and in young people it is distributed in the bone marrow of the vertebrae, sternum, ilium, etc. As red bone marrow becomes more fatty tissue with age, it becomes yellow bone marrow. Therefore, the older the person, the more widely yellow bone marrow is distributed. In clinical bone marrow tests, thoracic bone marrow is generally used (this procedure is called sternal puncture).

[Kazuyo Shimai]

Organizational Structure

The tissue structure of the bone matrix is composed of layers of bone plates, 3 to 7 micrometers thick, in both compact and cancellous bone. In compact bone, these bone plates are stacked concentrically in 4 to 20 layers, called "Haversian lamellae," which are arranged in various directions to form the bone matrix (the name "Haversian lamellae" comes from the 17th century English physician C. Havers). A Haversian canal runs through the center of each Haversian lamella, and blood vessels run through it. A Haversian canal and the several dozen layers of bone lamellae surrounding it are collectively called an osteon, and this osteon is considered to be the unit of bone matrix composition. In addition, between each Haversian lamella, intervening lamellae consisting of parallel bone lamellae run in various directions to fill the gaps between the Haversian lamellae.

Osteocytes are arranged between the bone plates that form the bone lamellae, and thin cell processes extend from the osteocytes to connect them to each other. Because osteocytes are confined to the bone matrix, their lacunae are called bone lacunae, and the pathways through which the osteocyte processes connect are called bone canaliculi. Eventually, osteocytes are confined by the bone matrix they produced themselves, and lose their bone formation function.

As mentioned above, there are two types of bone tissue development: connective tissue ossification, in which bone tissue is formed directly in connective tissue, and endodontal ossification, in which bone tissue is formed from cartilage tissue. In both cases, osteoblasts derived from mesenchymal cells are responsible for the formation of the bone matrix. While bone tissue is newly generated by osteoblasts, it is also destroyed and absorbed, resulting in bone growth as a whole. The cells involved in this destruction and absorption activity are called osteoclasts, which are multinucleated giant cells with several to a dozen nuclei (20 to 100 micrometers in size). These cells are thought to be derived from blood cells. The periosteum that covers the bones is made of tough fibrous connective tissue, and is distributed with blood vessels and nerves (especially abundant sensory nerves), and is responsible for the protection and nutrition of the bones. Collagen fibers in the periosteum penetrate into the bone tissue and firmly bind the periosteum to the bone tissue. These fibers are called perforant fibers or Sharpey's fibers (the name Sharpey's fibers comes from the 19th century British anatomist and physiologist W. Sharpey). The presence of the periosteum is essential for the generation and regeneration of bone tissue.

Bone matrix is an amorphous matrix that contains a large amount of inorganic matter (60-65%). The inorganic matter includes calcium phosphate, calcium carbonate, and small amounts of magnesium salts. Calcium phosphate is made up of minute crystals called apatite, which is mainly hydroxyapatite Ca ₁₀ (PO ₄ ) ₆ (OH) _2. Other components contained in the bone matrix include water and protein, but if inorganic matter is removed from bone, the bone becomes soft (a process called demineralization). Bones contain approximately 99% of the calcium in the body, and also play an important role as a calcium storage facility.

[Kazuyo Shimai]

Folklore

The custom of carefully preserving the bones of the dead and making them the subject of long-term festivals is particularly evident in places where sky burials are practiced. This is the case in Okinawa, where in the olden days the bodies were left in the wilderness or forests. Later they were interred in caves or special structures, and over the years the skeletal remains were removed, washed, and placed in a bag or jar, which was then placed back in the original location or elsewhere for preservation. This bone-washing and reburial practice is seen as the final act of filial piety by descendants towards their ancestors, and is still practiced today. Even in the case of burial, which was widely practiced, the custom of digging up the remains when they had turned to a skeleton and placing them in a jar or similar and reburying them, or sometimes treating only the skull in this way, was seen in some villages on the Amami Islands as well as on the mainland. There were places where entire villages practiced this type of reburial, such as Hikigawa Town (now Shirahama Town) in Wakayama Prefecture, Atsumi Town (now Tahara City) in Aichi Prefecture, and Emi Town (now Kamogawa City) in Chiba Prefecture, but in recent years, many of these have stopped doing so due to the shift to cremation. In addition, the custom of setting up burial sites away from the village and using a stone tower cemetery adjacent to the village as a pilgrimage grave, with only the skeletal skull being moved, was seen in Youra Village (now Tsukumi City) in Oita Prefecture, and there were a few regions where only certain families reburied only the skull. In the case of cremation, which has become common in recent years, it is common for the cremated bones to be placed in an urn and held at home for a while before being placed in the grave, but while the amount of cremated bones placed in the urn is extremely small in the Kansai region, in the Kanto region most of the bones are placed in the urn except for the ashes. In addition, there are places where all cremated bones are dumped into rivers or lakes and not looked at again, or where the bones are left at the crematorium and not looked at again.

[Mogami Takayoshi]

"Calcium and Bones," edited by Nishii Yasuho, Morii Hiroyo, Ezawa Ikuko, and Kojima Itaru (2001, Asakura Publishing)" ▽ "The New Bioscience of Bone -- A Full Understanding of Hot Spots in Bone Research, Including Diseases," by Yoneda Toshiyuki (2002, Yodosha Publishing) ▽ "The New Science of Bone," edited by Suda Tatsuo, Ozawa Hidehiro, et al. (2007, Ishiyaku Publishing)"

Bone Development
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Bone Development

Bone Structure
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Bone Structure

Source: Shogakukan Encyclopedia Nipponica About Encyclopedia Nipponica Information | Legend

Japanese:

脊椎(せきつい)動物の骨格の構成要素で、骨組織よりなる。俗には軟骨も骨に含めることがあるので区別して硬骨ともよぶ。骨は体全体または重要な器官を包んで保護したり、付着している筋肉と協同して運動器官となったり、体の支持器官として働いている。骨は形状によって長骨、短骨、扁平骨(へんぺいこつ)（または膜性骨）などに区別する。いずれも表面は緻密(ちみつ)な緻密骨質からなり、内部は粗い海綿状の海綿骨質、またはそれを欠いて腔所(こうしょ)となっている。骨は現生脊椎動物では硬骨魚類以上に発達するが、これには、結合組織内でいきなり骨組織がつくられる場合（頭頂骨のような扁平骨）と、初めに軟骨ができ、のちに軟骨が吸収・消失したあとに骨がつくられる場合（大腿骨(だいたいこつ)のような長骨と、指骨のような短骨）、すなわち軟骨をモデルとした骨形成とがある。骨の成長は、雪だるまを大きくするように外側に骨質が付加されておこる。骨が形よく成長するのは、付加されるだけでなく、不要部分の吸収もおこるためで、骨の内外面の削り取りにより、彎曲(わんきょく)した頭蓋冠(とうがいかん)の曲率の変化や長骨のリモデリングremodeling（形のとり直し）がおこる。

［川島誠一郎］

骨細胞

骨組織では骨質中に骨小腔(こつしょうこう)とよばれる小室が点在し、その中に骨細胞(こつさいぼう)osteocyteが埋まっている。骨細胞は多数の細い原形質突起（骨細管という）により互いに連絡し、またそれを通じて血管とも連絡している。骨細胞は、骨芽細胞osteoblast（造骨細胞ともいう）が自らつくった骨質により封じ込められて徐々に骨形成能を失ったものをいう。骨質はコラーゲン繊維の間に有機質と無機質が詰まったものである。骨芽細胞は、胚(はい)では間充織の細胞が、成体では繊維芽細胞または細網細胞が肥大し分化したものである。骨芽細胞に分化する前の細胞は増殖能力のある未分化の細胞で、骨組織細胞の幹細胞(かんさいぼう)osteoprogenitor cellという。骨芽細胞の大部分は骨細胞になるが、一部は幹細胞に戻るといわれる。

［川島誠一郎］

骨の化石

化石は生物の遺骸(いがい)および遺跡のうち地層中に発見されたもので、古生物を認識するのに調べられる。化石には、実体は残らずその印象のみが残るものから、体の軟部までも保存されているものもあるが、一般に古生物の硬い部分である骨は、量的にも多いために化石として残ることが多い。脊椎動物の骨格系は外骨格と内骨格に分けられるが、外骨格の化石としては、甲皮類や板皮類の甲板、サメの皮歯、硬骨魚類の鱗(うろこ)や爬虫(はちゅう)類の骨板などがある。骨の化石の大部分は内骨格で、脊椎動物の脊柱を中心とした中軸骨格や付属肢の骨の大部分がこれに含まれる。

［川島誠一郎］

人体における骨

人体の内部では多数の硬骨と軟骨とが組み合わさって骨格を構成し、体を支えたり、内臓諸器官の保護にあたっている。このような働きをする骨格を内骨格とよぶ。内骨格は、発生の初期には軟骨組織の形をとり、それから骨組織となる（原始骨・置換骨）。これに対して、外骨格とよばれるものは、結合組織からそのまま骨組織となる（結合組織骨）。外骨格に属するのは、軟体動物では貝殻、節足動物ではキチン質の外層であり、脊椎動物では頭蓋(とうがい)の上部の骨、顔面骨などである。

［嶋井和世］

種類と構造

人体の骨の数は200余個であるが、年齢や個体によって骨の癒合状態が異なったり、腱(けん)や靭帯(じんたい)内にできる骨（種子骨(しゅしこつ)）があったりするため、その数は不確定となる。特殊な骨には、左右の中耳内に位置する耳小骨がある。これは、それぞれ3個の骨によって構成される。骨は形によって、長骨、短骨、扁平骨、含気骨(がんきこつ)に分類される。長骨は中空の細長い骨幹（骨体という）の両端に肥厚した骨端をもっており、大腿骨(だいたいこつ)、鎖骨、指骨などがその例である。短骨の例には手根骨(しゅこんこつ)、足骨(そっこつ)、脊椎骨があり、扁平骨の例には頭蓋冠、肩甲骨、寛骨(かんこつ)がある。含気骨はその内部に1個あるいはそれ以上の小腔(しょうくう)を含んでいる骨で、上顎骨(じょうがくこつ)、篩骨(しこつ)などがその例である。また、1個の骨でも、いろいろの形態が組み合わされる場合もある。

　骨幹と骨端とは、同じ軟骨組織であっても、それぞれ異なった骨化点から発育し始めるため、骨幹と骨端との間には板状の軟骨組織（骨端軟骨）が存在する。骨端軟骨は成長するにしたがって骨化するが、一部はそのまま残って骨端線となることがある。骨端は隣接の骨の骨端との間で関節面を形成するが、この関節面は関節軟骨で覆われている。関節面を除いた生体の骨の全表面は、かならず結合組織性の骨膜によって覆われる。

　骨本体の表層を構成しているのは硬くて厚い緻密骨(ちみつこつ)である。緻密骨から内方に向かっては、細い骨質板（海綿小柱）が放散しており、柔らかい海綿構造を形成している。これを海綿骨とよび、骨端部でとくに発達している。緻密骨は骨組織が層板状に配列し、海綿骨は骨小柱が網目状構造をつくるが、これらの構造は、力学的にも構築学的にも、外力に対してきわめて合理的に構成されている。また、大部分の骨は内部に中空の髄腔(ずいくう)をもっている。髄腔は、海綿骨内の骨小柱でつくられている小腔とも交通しており、ともに骨髄で満たされている。

　骨髄は造血組織で、盛んに血球造成を行っている。血球造成の盛んな骨髄は肉眼的にも赤色を呈し、これを赤色骨髄とよぶ。成人の場合、赤色骨髄は一部の骨端、短骨、扁平骨の海綿骨に分布するが、幼年者では全骨に、若年者では椎骨、胸骨(きょうこつ)、腸骨などの骨髄に分布する。赤色骨髄は、加齢とともに脂肪組織が増加し、黄色骨髄となる。したがって、黄色骨髄は高年者ほど、その分布が広くなる。なお、臨床上の骨髄検査には一般に胸骨髄が用いられる（この操作を胸骨穿刺(せんし)という）。

［嶋井和世］

組織構造

骨基質の組織構造をみると、緻密骨、海綿骨ともに厚さ3～7マイクロメートルの骨板が重層をつくっている。緻密骨ではこの骨板が4～20層も同心円状に重なって「ハバース層板」という骨層板をつくり、これが種々の方向に配列して骨基質を構成している（ハバース層板の名は、17世紀のイギリスの医師ハバースC. Haversにちなむ）。この各ハバース層板の中心にはハバース管が通り、その中を血管が走っている。1本のハバース管とこれを取り囲む数十層の骨層板をあわせて骨単位（オステオン）とよび、この骨単位が骨基質構成の単位とみなされる。また、個々のハバース層板の間には、平行な骨層板からなる介在層板が種々の方向に走ってハバース層板の間を埋めている。

　骨細胞は、骨層板を形成している各骨板の間に配列し、骨細胞からは細い細胞突起が出て互いにつながっている。骨細胞は骨基質に閉じ込められた状態となっているため、その小腔を骨小腔とよび、骨細胞の突起が連絡する路を骨細管とよぶ。結局、骨細胞は自ら産生した骨基質によって封じ込められ、骨形成機能を失ってしまう。

　骨組織の発生には、前述のように結合組織の中に直接骨組織が形成される結合組織性骨化と、軟骨組織から骨組織が形成される軟骨性骨化とがあるが、いずれも間葉細胞に由来する骨芽細胞が骨基質の形成をつかさどる。骨組織は骨芽細胞による新生と同時に、一方では破壊と吸収が行われ、全体として骨成長が行われることとなる。この破壊と吸収活動にあずかる細胞を破骨細胞といい、核を数個から十数個ももつ多核巨細胞である（大きさ20～100マイクロメートル）。この細胞は血液細胞に由来すると考えられている。骨を覆っている骨膜は、強靭な線維性結合組織からなり、血管や神経（とくに豊富な知覚神経）が分布し、骨の保護と栄養をつかさどっている。骨膜内の膠原(こうげん)線維は、骨組織の中に進入し、骨膜と骨組織とを固く結合させている。この線維を貫通線維、シャーピー線維とよぶ（シャーピー線維の名は、19世紀のイギリスの解剖学・生理学者シャーピーW. Sharpeyにちなむ）。骨膜の存在は、骨組織の新生・再生には不可欠である。

　骨基質は無定形基質で、多量の無機質（60～65％）を含んでいる。無機質としてはリン酸カルシウム、炭酸カルシウム、および少量のマグネシウム塩などである。リン酸カルシウムは燐(りん)灰石（アパタイト）とよぶ微細な結晶からできており、この結晶は主として水酸化アパタイトCa₁₀(PO₄)₆(OH)₂である。そのほか骨基質に含まれるものに水分、タンパク質があるが、骨から無機質を抜き取ると、骨は柔らかくなる（脱灰という）。骨には体内のカルシウムの約99％が含まれ、カルシウムの貯蔵所としても重要な役割を果たしている。

［嶋井和世］

民俗

死者の骨をたいせつに保存し、長く祭りの対象とする習俗は、風葬の地において顕著である。沖縄がそうで、古くは原野や山林の中に放置された。のちには洞窟(どうくつ)や特殊な建造物の中に納められ、年を経て骨化した遺体を取り出して洗骨し、袋や甕(かめ)に入れて、元の所あるいは別の所に納めて保存した。この洗骨改葬は子孫が父祖に対する孝養の仕上げとみられており、いまもなお続けられている。広く行われていた土葬の場合でも、遺骸(いがい)の白骨化したころ掘り起こして甕などに入れて埋め直したり、ときに頭骨だけをそのように処置したりする風は、奄美(あまみ)諸島のほか本土でも若干の村落にみられた。全村落をあげてこのような改葬を行っていた所は、和歌山県日置川(ひきがわ)町（現、白浜(しらはま)町）、愛知県渥美(あつみ)町（現、田原(たはら)市）、千葉県江見町（現、鴨川(かもがわ)市）などあったが、近年火葬化に伴ってやめた所が多い。このほか、埋葬地を村落から離れた所に設け、村落に接した石塔墓地を詣(まい)り墓とし、白骨化した頭骨だけを移す風は、大分県四浦(ようら)村（現、津久見市）などにみられ、特定の家のものだけが頭骨だけの改葬をした地方も二、三あった。近年一般化している火葬の場合、火葬骨を壺(つぼ)に納めてしばらく家で供養したのち、墓に入れるのが一般であるが、壺に取り入れる火葬骨が関西で著しく微少なのに対し、関東では灰以外のほとんどを取り入れる。このほか、火葬骨のすべてを川に流したり、湖中に投じて顧みない所、あるいは火葬場にそのまま火葬骨を残しておいて顧みない所もある。

［最上孝敬］

『西井易穂・森井浩世・江沢郁子・小島至編『カルシウムと骨』（2001・朝倉書店）』▽『米田俊之著『新しい骨のバイオサイエンス――骨研究のHOT SPOTが疾患までまるごとわかる』（2002・羊土社）』▽『須田立雄・小澤英浩他編著『新　骨の科学』（2007・医歯薬出版）』