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人類為何能穩定用兩條腿走路？胚胎骨盆兩項發育的改變

人類直立行走依賴雙腿、脊椎與骨盆，其中骨盆是每一步能保持平衡的核心。與黑猩猩（Pan troglodytes）等其他靈長類相比，人類骨盆近似碗狀，上方的髂骨（ilium）寬短，向身體兩側彎曲，既能在單腳著地時穩定軀幹，也能承托內臟，也為頭部較大、肩膀較寬的胎兒提供生產空間。人類髂骨在胚胎早期仍保留靈長類常見的縱向生長模式，那麼這套發育程序後來是如何轉向形成適合二足行走的人類骨盆呢？


黑猩猩、始祖地猿（Ardipithecus ramidus）、智人（Homo sapiens）的骨盆形態。側視（上）、正視（中）、俯視（下）（圖片來源：Hogervorst T and Vereecke EE. (2014)，採用 CC BY 4.0 授權）
黑猩猩、始祖地猿（Ardipithecus ramidus）、智人（Homo sapiens）的骨盆形態。側視（上）、正視（中）、俯視（下）（圖片來源：Hogervorst T and Vereecke EE. (2014)，採用 CC BY 4.0 授權）

髂骨為 2 號區域（圖片來源：Fred the Oyster，採用 CC BY-SA 4.0 授權）
髂骨為 2 號區域（圖片來源：Fred the Oyster，採用 CC BY-SA 4.0 授權）

研究裡分析妊娠約第 45 至 72 天人類胚胎與早期胎兒的髂骨，與小家鼠（Mus musculus）、皮氏倭狐猴（Microcebus myoxinus）、棉冠獠狨（Saguinus geoffroyi）、獼猴屬（Macaca）、長臂猿屬（Hylobates）和黑猩猩等做比較，指出人類髂骨的特殊形態主要來自兩項互相配合的發育改變，軟骨生長方向轉為橫向，而且骨化改由髂骨後方開始，沿外圍緩慢向前擴展，而骨組織深入髂骨內部的時間則明顯延後。


生長板（growth plate）是骨骼發育期間的一片軟骨生長區。其中的軟骨細胞（chondrocyte）會依序經歷休止、增殖和肥大等階段。細胞持續分裂、排列並擴大，後方形成的軟骨再逐漸礦化和被骨組織取代，因此骨骼會沿著生長板內軟骨細胞的排列方向延伸。


骨骼發育過程（圖片來源：Mary Ann Clark et al.，採用 CC BY 4.0 授權）
骨骼發育過程（圖片來源：Mary Ann Clark et al.，採用 CC BY 4.0 授權）

生長板與靜止區、增生區、肥大區。（A）生長階段；（B）老化階段（圖片來源：Cho JH et al. (2024)，採用 CC BY-NC 4.0 授權）
生長板與靜止區、增生區、肥大區。（A）生長階段；（B）老化階段（圖片來源：Cho JH et al. (2024)，採用 CC BY-NC 4.0 授權）

在胚胎早期，髂骨會先以軟骨雛形出現，之後才逐漸骨化成真正的骨骼。生長板包含靜止區（resting zone，RZ）、增生區（proliferative zone，PZ）與肥大區（hypertrophic zone，HZ），通常沿骨骼長軸排列，使骨骼朝兩端延長。人類髂骨在約第 45 天時仍呈上下延伸的棒狀雛形；到了第 53 至 54 天，軟骨細胞開始快速增殖與分化，生長方向卻轉向前後軸。至第 72 天，生長板各區已橫向排列，與原先長軸近乎垂直，並朝前後兩側擴張。這個轉換直接讓髂骨高度不再增加，改增加寬度。髂骨後緣仍保留一小段單向、分層不完整且垂直排列的殘餘生長板。由於研究納入的非人類靈長類的髂骨生長板也沿縱向排列，研究者將這段結構解讀為祖先生長模式的痕跡。


人類髂骨在不同天數（E57、E72）的解剖狀態，配合其它不同動物的髂骨。可看出人類的生長板方向與實驗裡的其他動物不同（圖片來源：Senevirathne G et al. (2025)，採用 CC BY-NC-ND 4.0 授權）
人類髂骨在不同天數（E57、E72）的解剖狀態，配合其它不同動物的髂骨。可看出人類的生長板方向與實驗裡的其他動物不同（圖片來源：Senevirathne G et al. (2025)，採用 CC BY-NC-ND 4.0 授權）

人類髂骨生長成寬闊外形，參與其中的調控基因包括 SOX9、PTHrP、PTH1R 與 ZNF521。SOX9 蛋白質是轉錄因子，會使原本尚未分化的前軟骨間質細胞（prechondrogenic mesenchymal cell）逐漸變成軟骨細胞，建立髂骨最初的軟骨雛形。到了胚胎約第 53 天，SOX9 的表達逐漸集中在髂骨雛形的前端與後端，PTH1R 受體則主要集中在前端，標示出新的軟骨細胞增生區。PTHrP 與 PTH1R 結合後，可使這一區的軟骨細胞持續分裂並延緩成熟。原本沿頭尾方向生長的髂骨生長板因此轉成橫向，髂骨開始向前後方加寬。位於髂骨前側周圍間質（mesenchyme）和軟骨膜（perichondrium）中的 ZNF521 轉錄因子則會與 PTH1R 相關訊號共同調節生長板的大小、形態與擴張。這些蛋白質若無法正常運作，髂骨的橫向生長就可能受到影響。臨床上 SOX9 或 PTH1R 基因發生突變的患者，常可看到髂骨較狹窄或缺乏正常向兩側張開的形態。


小鼠及非人類靈長類的髂骨通常從軟骨雛形中央開始骨化，血管很快深入內部，骨組織再沿髂骨長軸向上下兩端延伸。人類髂骨約在受精後第 57 天開始骨化，但骨化中心位於每片髂骨的後緣，靠近坐骨大切跡（greater sciatic notch）與骶骨（sacrum）。新生骨最初主要沿軟骨雛形外圍形成，接著從後方向前方呈扇狀擴張，中央軟骨則在較長時間內維持未骨化狀態。這段延遲讓髂骨能持續向前、向外生長，最後形成適合二足行走的寬闊骨盆。


人類髂骨有不同於其他靈長類的周邊骨化與延遲內部骨化情況。（a）比較多種靈長類髂骨與股骨在胚胎發育期間的骨化情形，三維重建中深灰色代表軟骨，白色代表已礦化或骨化的區域；研究納入的非人類靈長類，其髂骨骨化大多由中央區域開始，並很快向軟骨內部推進，模式與股骨相近，人類髂骨的初級骨化中心則位於靠近骶骨的後方；（b）小家鼠 E18.5 髂骨切片顯示血管已穿入肥大軟骨區，骨組織在髂骨內部形成，呈現典型的內軟骨骨化；（c）皮氏倭狐猴髂骨也可見中央骨化與血管深入肥大軟骨區，骨化方式與小家鼠相似；（d）人類 E72 髂骨的骨化仍主要侷限於軟骨雛形外圍，血管進入周邊的新生骨組織，卻尚未深入中央的肥大軟骨；（e）E57 與 E72 人類髂骨周圍血管的三維重建顯示微血管沿髂骨外側表面延伸，並集中於周邊骨化區，支持人類髂骨由外圍向前擴展、內部骨化明顯延後的發育模式（圖片來源：Senevirathne G et al. (2025)，採用 CC BY-NC-ND 4.0 授權）
人類髂骨有不同於其他靈長類的周邊骨化與延遲內部骨化情況。（a）比較多種靈長類髂骨與股骨在胚胎發育期間的骨化情形，三維重建中深灰色代表軟骨，白色代表已礦化或骨化的區域；研究納入的非人類靈長類，其髂骨骨化大多由中央區域開始，並很快向軟骨內部推進，模式與股骨相近，人類髂骨的初級骨化中心則位於靠近骶骨的後方；（b）小家鼠 E18.5 髂骨切片顯示血管已穿入肥大軟骨區，骨組織在髂骨內部形成，呈現典型的內軟骨骨化；（c）皮氏倭狐猴髂骨也可見中央骨化與血管深入肥大軟骨區，骨化方式與小家鼠相似；（d）人類 E72 髂骨的骨化仍主要侷限於軟骨雛形外圍，血管進入周邊的新生骨組織，卻尚未深入中央的肥大軟骨；（e）E57 與 E72 人類髂骨周圍血管的三維重建顯示微血管沿髂骨外側表面延伸，並集中於周邊骨化區，支持人類髂骨由外圍向前擴展、內部骨化明顯延後的發育模式（圖片來源：Senevirathne G et al. (2025)，採用 CC BY-NC-ND 4.0 授權）

到了第 72 天，人類髂骨的礦化與新生骨還主要停留在軟骨膜附近，血管沿外側表面分布，尚未深入中央的肥大軟骨區。內部骨化約到妊娠 24 週才逐漸深入。這段延遲讓髂骨內部長時間保有可繼續生長的軟骨，使前方與整片髂骨能擴張，也能保存複雜的三維形態。髂骨前方生長區甚至可持續保持軟骨狀態至妊娠 25 週左右。


單細胞資料顯示外圍成骨細胞（osteoblast）可能來自軟骨膜細胞（perichondrial cell）與部分的纖維母細胞（fibroblast），轉變為成骨細胞後就會開始製造骨組織。這個轉變可能由 RUNX2 基因啟動；RUNX2 蛋白質是促使前驅細胞進入成骨程序的重要轉錄因子。稍後活化的 FOXP1 與 FOXP2 則可能在後續調節成骨細胞的分化速度與位置，讓骨化沿髂骨外圍緩慢擴展。同時，促進血管形成的 VEGFA 與 VEGFB 也主要表達在髂骨周邊，使血管沿外圍進入正在形成的骨組織。在胚胎第 72 天以前，髂骨中央仍缺乏明顯的 RUNX2 與 VEGF 基因表達，故內部骨化較晚開始，血管也尚未深入中央。


這些生長與骨化程序的差異，最後會反映在髂骨各部位不同的發育速度上。髂骨後方與骶骨相連，位置相對穩定；髂骨前方則因軟骨保留時間較長，能夠持續向前延伸和塑形，逐漸形成髂前上棘（anterior superior iliac spine）與髂前下棘（anterior inferior iliac spine）等突起。因此人類髂骨是在後方建立穩定的連接區，同時讓前方維持較長的生長時間，最後形成短而寬、向兩側彎曲並帶有多個突起的外形。


這些突起也是肌肉與韌帶施力的重要位置，約在胚胎第 53 天，臀中肌（gluteus medius）與臀小肌（gluteus minimus）已連接髂骨後外側，之後隨髂骨擴張而取得更大的附著面；臀大肌（gluteus maximus）與髂骨的明確連接稍晚才出現。到了約第 72 天，股直肌（rectus femoris）的直接頭（direct head）已附著於正在形成的髂前下棘；髂股韌帶的附著區則出現得更晚，約至妊娠 27 週才可觀察到。出生後這些肌肉分別參與髖關節的屈曲、伸展與外展，其中臀中肌和臀小肌尤其重要，人在單腳支撐時，它們會拉住骨盆，避免未著地的一側向下傾斜。研究者推測胎兒肌肉收縮產生的拉力也可能反過來影響髂骨的形狀與骨化進程，不過這項作用目前仍屬未被證實的假說。


研究者最後把胚胎發育結果放回人族（Hominini）演化的時間軸，二足行走涉及枕骨大孔（foramen magnum）位置、脊柱彎曲、股骨角度與腳拇指排列等多項變化，而這些特徵是在不同演化階段陸續形成的。地猿（Ardipithecus）與南方古猿（Australopithecus）已具有短而寬的髂骨。研究者據此提出暫定的三階段理論模型，距今約 800 萬至 500 萬年前，髂骨生長由縱向轉為橫向，配合偶爾採用二足行走所需的側向穩定；距今約 500 萬至 200 萬年前，隨專性二足行走形成，橫向生長方向更加固定，骨化起點也可能移向後方；距今約 200 萬年前之後，跑步需求增強，加上胎兒頭部與肩部增大，內部骨化時間進一步延後，最終塑造出今日人類的骨盆形態。


作者：水也佑


參考文獻：

  1. Cho JH et al. (2024). Growth plate closure and therapeutic interventions. Clin Exp Pediatr.

  2. Hogervorst T and Vereecke EE. (2014). Evolution of the human hip. Part 1: the osseous framework. Journal of Hip Preservation Surgery.

  3. Senevirathne G et al. (2025). The evolution of hominin bipedalism in two steps. Nature.


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