Текст книги "100 великих тайн человека"

Уникальная крепость

ЗАГАДКА ПРОЧНОСТИ КОСТЕЙ

Уникальная крепость – это, естественно, скелет человека. А крепостью его называют в первую очередь из-за прочности костей, а также мышц и соединительнотканных волокон. Но, прежде чем говорить о прочности костей, приведем некоторые статистические сведения, касающиеся скелета человека.

Так, у здорового мужчины весом 77 кг на кости приходится всего 11,5 кг, или около 15 % массы тела, у женщины весом 64 кг кости весят около 7,75 кг, или около 12 % веса ее тела.

Считается, что наш скелет образуют 206 костей – 85 парных и 36 непарных. Впрочем, как это ни странно, указать точное количество костей в скелете человека практически невозможно. Так, примерно у 20 % людей есть отклонения в количестве позвонков. Один человек из каждых двадцати имеет лишнее ребро, причем у мужчин лишнее ребро встречается примерно в 3 раза чаще, чем у женщин. К тому же количество костей меняется с возрастом: со временем некоторые кости срастаются. Например, крестцовая кость явно состоит из пяти сросшихся позвонков.

А теперь обратимся непосредственно к теме данной статьи: к прочности костей. Начнем с того, что кости человека, как впрочем, и других млекопитающих, обладают уникальным строением, позволяющим им выдерживать значительные кратковременные и долговременные нагрузки. Но, в отличие от искусственных материалов, имеющих в большинстве случаев постоянную и однородную структуру, кости являются сложноустроенной живой тканью, которая непрерывно обновляется.

В этой гетерогенной структуре морфологи выделяют семь уровней организации различной сложности. На самом первом и самом мелкомасштабном кость представлена двумя основными компонентами – гидроксоапатитом и коллагеном. Первое соединение – это неорганическое вещество, похожее на известь, второе – очень прочный белок, входящий в состав многих тканей организма. Например, кожа человека на 70 % состоит из белков коллагена.

Обычно человеческий скелет состоит из 206 костей

Следующий уровень сложности сформирован уже минерализованными волокнами коллагена.

Чтобы не затруднять читателя описанием отдельно каждого уровня, отметим, что два первичных строительных элемента, постепенно усложняясь, формируют седьмой – высший и самый масштабный уровень организации кости – ее саму…

Для выяснения, какие же структуры и механизмы определяют крепость костей, ученые изучили их строение на уровне отдельных молекул, определив, тем самым, и первичную структуру костной ткани, и обстоятельства, при которых она разрушается.

Исследования показали, что минерализованные волокна коллагена представляют собой упорядоченные цепочки, в которых в строгом порядке, словно в мозаике, рассредоточены молекулы белка и микроскопические кристаллы гидроксоапатита. Причем два эти элемента – молекулы белка и кристаллы – упакованы таким образом, что образуют своеобразную лестницу, в которой минерал играет роль ступенек. Кроме того, в этой структуре имеются специальные участки, внутренние связи в которых разрушаются легче, чем в окружающих их областях волокон, но при этом в целом структура остается стабильной.

Обусловлено это тем, что, когда на костную ткань обрушиваются силы, которые могут привести к разрыву связей между коллагеном и гидроксоапатитом, они «дробятся» и равномерно воздействуют на каждое из многочисленных соседних белковых волокон.

А так как та область, в которой взаимодействуют белок и минерал, находится в окружении довольно прочных и эластичных молекул коллагена, то даже если разрушится одна или несколько слабых связей, множественных повреждений не произойдет.

Кроме того, под влиянием внешней силы микроскопические кристаллы, в отличие от более крупных кристаллических единиц, хоть и смещаются, но при этом не разрушаются.

Ранее же для объяснения крепости костей выдвигались иные версии. Так, высказывалось предположение, что их прочность обусловлена особым механизмом молекулярного скольжения, суть которого сводится к тому, что разрыв той или иной слабой связи приводит не к разрушению соседних волокон, а лишь к их растяжению.

Сторонники другой гипотезы высокую сопротивляемость костей значительным нагрузкам объясняли мельчайшими размерами кристалликов гидроксоапатита: ведь частичку диаметром в несколько нанометров разрушить совсем непросто.

Исследование же костной ткани на молекулярном уровне две эти гипотезы примирило, так как показало, что обе точки зрения в целом верны.

Кроме уникальных особенностей строения кости на микроскопическом уровне, ученые установили еще один весьма примечательный факт. Оказалось, что крохотное отверстие, которое появляется в результате разрушения связи между белком и гидроксоапатитом, как раз соответствует размеру особых костных структур, которые отвечают за обновление костной ткани.

Эти единицы представляют собой сложные многоклеточные комплексы, которые, медленно проходя сквозь пористую ткань кости, вначале, словно буравы, разрушают ее перед собой, а затем переквалифицируются в строителей и оставляют за собой уже новую ткань.

Выходит, что природа в некоторой степени нарушила одну из аксиом строительной науки, в соответствии с которой случайные полости отрицательно сказываются на прочности строительных блоков. Оказывается, кости остаются крепкими даже в том случае, если в них появляется множество миниатюрных разрывов. Более того, эти разрывы помогают им своевременно обновляться и сохранять свою прочность…

И хотя кости имеют немало структур, обеспечивающих их прочность, тем не менее, они, как известно, ломаются. Причем иногда при довольно странных обстоятельствах. Так, английские врачи столкнулись со странными переломами, которые хоть и редко, но все-таки появляются во время стрессовых ситуаций у… футбольных болельщиков!

Вот как описывает одно из таких необычных происшествий английская газета «Таймс»: «Обе пострадавшие – женщины. Едва англичанин Алан Ширер забил первый гол, болельщицы вскочили из кресел и запрыгали перед экраном своих телевизоров. И – перелом ног! Врачи были удивлены: травмы оказались серьезнее даже тех, которые могли получить сами футболисты. У одной женщины, 36 лет, раздроблена пяточная кость, а у другой, 54 лет, треснула берцовая кость.

Вот так! А теперь попробуйте объяснить с точки зрения современной науки, каким образом при обычном прыжке возле телевизора кости ног испытали перегрузку в сотни раз (!) больше той, которую теоретически могли испытать при обычном прыжке?

Но в том-то все и дело, что прыжок был необычный: дело происходило во время трансляции полуфинального матча Англия-Германия на чемпионате Европы по футболу-96. Так что и стресс болельщицы испытывали соответствующий. И, тем не менее, по мнению опытных травматологов, эти переломы абсолютно невероятны».

Кстати, такие «нетипичные» случаи переломов врачи фиксировали и раньше, но не придавали широкой огласке.

Впрочем, кости могут ломаться и по другой причине. Причем при абсолютно, казалось бы, обыденных обстоятельствах. Например, вы погладили младенца по головке – она у него продавилась, как яичная скорлупа; положили его на руку, чтобы покормить, – сломалась шея; провели по груди рукой – сломалась грудная клетка. И это не фантастика, а реалии жизни, правда, редкие: 4–5 случаев на 100 000 новорожденных.

Это признаки редкого заболевания соединительной ткани, называемого несовершенным остеогенезом. Заболевание наследственное, но мало кто может предположить его появление, ибо очень часто оно «выстреливает» раз в 5–7 поколений, и у практически здоровых родителей появляется «стеклянный ребенок».

Иногда он рождается мертвый из-за многочисленных переломов, происшедших еще в утробе матери. Или рождается ребенок живой, но уже со сросшимися переломами: можно провести по грудной клетке младенца или его конечностям и почувствовать так называемые четки, которые иногда принимают за проявление рахита; на самом же деле это сросшиеся переломы. И хотя переломы при несовершенном остеогенезе срастаются очень быстро, однако опасны тем, что могут привести к прекращению работы некоторых органов: головного мозга, сердца, легких.

Люди, страдающие этой патологией, имеют ряд внешних характерных особенностей: у них голубые склеры, рыжие волосы, череп слегка увеличен, выпуклый живот, а также бросающиеся в глаза деформации опорно-двигательного аппарата.

Не обязательно болезнь возникает только в младенческом возрасте. Она может проявиться и в 10, и в 15 лет. Но в этих случаях количество переломов будет значительно меньше. Вообще же медики считают, что, если ребенок дожил до 10–12-летнего возраста, можно рассчитывать, что в будущем неприятностей у него будет намного меньше. Поэтому главная задача врачей и родителей – максимально продлить таким детям жизнь. Известны случаи, когда больные с несовершенным остеогенезом доживали до 50 и даже до 70 лет.

ПАЛЬЦЫ-ПРЕДСКАЗАТЕЛИ

Каждая часть человеческого организма открывает ученым все новые и новые тайны и закономерности. Причем касается это не только таких сложных органов, как, например, сердце или печень, но и таких структур, которые у человека всегда перед глазами.

Взять, к примеру, пальцы. Казалось бы, ничего большего, что ученым уже о них известно, рассказать «пять братцев» нашей руки не могут. Но, выясняется, что это совсем не так.

Так, с помощью коэффициента длины пальцев (КДП), который определяется отношением длины указательного пальца к длине безымянного, можно уже в самом раннем возрасте определить предрасположенность мужчин к сердечно-сосудистым заболеваниям.

Ученые проверили 151 сердечника и установили следующее. У тех, кто имел КДП выше 1, то есть, когда указательный палец, как минимум не короче безымянного, сердечные приступы случались в период от 35 до 80 лет. А вот мужчины, у которых безымянные пальцы сравнительно длинные (КДП не менее 0,9), начинают жаловаться на боли в сердце гораздо позже: после 55 лет.

Пальцы человека могут «рассказать» специалисту об уровне гормонов, темпераменте, наследственных заболеваниях, уровне интеллекта и сексуальной ориентации

Объясняется эта зависимость тем, что сексуальные гормоны – тестостерон у мужчин и эстроген у женщин – «отвечают» за длину пальцев у человека. И именно эти гормоны защищают сердце от болезней. Чем длиннее безымянный палец, тем выше уровень тестостерона в организме, а, значит, тем позже может случиться сердечный приступ.

А вот организм человека, у которого указательный палец длинный, тестостерона вырабатывается меньше, поэтому у таких людей болезни сердца в молодые годы могут возникать чаще, чем у их сверстников.

Более того, канадский ученый Питер Хурд установил связь между длиной указательного и безымянного пальцев: оказалось, чем она меньше, тем человек активнее. А так как длина пальцев формируется еще во время эмбрионального развития и зависит от уровня тестостерона в организме матери, то и выходит, что ленивыми не становятся, а рождаются.

В свою очередь английские ученые установили, что те школьники, у которых безымянный палец длиннее указательного, на выпускных экзаменах могут рассчитывать на более высокий балл по математике, чем по языку.

В то же время, дети, у которых соотношение длины пальцев обратное, то есть указательный палец длиннее безымянного, могут надеяться на более высокую оценку по чтению, письму и устной речи, чем по математике.

По этому поводу английский психолог доктор Марк Броснан заявил следующее: «Ученые давно знали, что различный уровень гормонов тестостерона и эстрогена в утробе матери отвечает за различную длину пальцев, что, в свою очередь, показывает более развитые участки мозга. Считается, что под влиянием тестостерона развиваются участки мозга, ответственные за пространственную координацию и математические навыки. Под воздействием этого гормона и удлиняется безымянный палец. Эстроген же влияет на участки мозга, которые отвечают за навыки устной речи, и увеличивает длину указательного пальца».

Но вот какие закономерности лежат в основе функционирования этого механизма, пока неизвестно. Хотя, согласно одной из гипотез, в период с 8-й по 14-ю неделю развития эмбриона на его пальцах появляются рецепторы тестостерона, которые и влияют на длину пальцев.

Кроме того, ученые считают, что соотношение длины пальцев может открыть и истинную сексуальную ориентацию человека. Для этого, согласно исследованиям биологов, необходимо разделить длину указательного пальца правой руки на длину безымянного. Получится число, которое и определяет сексуальные предпочтения мужчины и женщины. Если у мужчины оно меньше 0,97, то он – активный гей. У женщины эта же цифра говорит о том, что она – пассивная лесбиянка.

По соотношению длины указательного и безымянного пальцев можно также узнать, насколько человек склонен к игре на бирже: у людей с длинным безымянным пальцем шансов на успех больше.

Соотношение длин пальцев может пролить свет и на другие особенности организма. Так, для женщин с длинными безымянными пальцами характерны высокий уровень интеллекта, большая сила воли, склонность к музыке и хорошие спортивные задатки. Но, с другой стороны, у них возрастает вероятность появления сердечно-сосудистых заболеваний.

Установили ученые и существование других взаимосвязей между длиной пальцев и здоровьем людей. Например, с большой долей вероятности предполагается, что, если у женщины указательный палец длиннее безымянного или равен ему, то она обычно избегает участия в рискованных делах.

Женщины с обратным соотношением длин указательного и безымянного пальцев, достаточно агрессивны, лучше переносят боль. К тому же они довольно напористы. Видимо, поэтому среди них много спортсменок.

Мужчины с аналогичными длинами указательного и безымянного пальцев хорошие бегуны, у них часто проявляется склонность к точным наукам, но, с другой стороны, они с трудом выражают свои мысли. Кроме того, хотя они агрессивны и гиперактивны, зато реже страдают заболеваниями сердца. Наоборот, мужчины, у которых соотношение длин этих пальцев обратное, общительны, хорошо выражают свои мысли, но в то же время они часто страдают депрессиями.

Кстати, существует предположение, основанное, правда, не на научных, а на эмпирических данных, что пальцы рук тесно связаны с мозговыми центрами и внутренними органами, поэтому придание силы и эластичности пальцам оказывает благотворное влияние навесь организм. Так, регулярная физическая тренировка большого пальца повышает функциональную деятельность головного мозга, второго пальца – желудка, третьего – кишечника, четвертого – печени, пятого – сердца. Специалисты утверждают, что у людей, страдающих различными заболеваниями сердца, часто наблюдаются слабые мизинцы, особенно левый.

ГИРОСКОПЫ И АМОРТИЗАТОРЫ НОГ

Знания обычного человека о коленке весьма незначительны, и ограничиваются они лишь сведениями, почерпнутыми из школьного курса «анатомии»: в частности, теми фактами, что коленный сустав соединяет бедренную кость и кости голени, что состоит колено из суставной сумки и чашечки, и что внутри него есть особые прокладки – мениски.

Казалось бы, все достаточно просто: обычный сустав, каких в организме человека немало. Но такой вывод неверен, причем по многим причинам.

Начнем с того, что внутри колена кости соединяются между собой особым, похожим на букву «X», образованием. В соответствии с внешним видом, эту структуру медики назвали крестовидной связкой. Учитывая ее местоположение, всегда считалось, что она лишь обеспечивает подвижность колена, то есть выполняет чисто механические функции.

Однако когда ученые присмотрелись к этому образованию более внимательно, то обнаружили массу любопытных фактов. Во-первых, выяснилось, что с «X-структурой» связано огромное, совершенно не соответствующее ее размерам, количество нервных волокон. Во-вторых, оказалось, что кроме множества нервов, не меньше в ней и кровеносных сосудов: почти столько же, сколько и в головном мозгу.

Когда же ученые провели пространственную реконструкцию крестовидной связки, то выяснили еще более удивительные ее особенности. Например, что каждая связка состоит из пучка более мелких волоконец, отделенных друг от друга соединительной тканью. При этом в каждом пучке находятся собственные сосуд и нервы. А таких мелких пучков в каждой связке от 12 до 16 штук.

Но и это еще не все. Дальнейшие исследования показали, что каждый из этих фрагментов состоит из нескольких десятков еще более тонких связочек, к которым подходят нервные окончания.

То есть крестообразный комплекс – это, своего рода, уникальный и очень точный датчик с множеством различных типов рецепторов. Он состоит из рецепторов давления, кручения, сжатия, а также из свободных нервных окончаний. Всего таких чувствительных образований около 300 в каждой связке. И, как показывают исследования, такого огромного количества рецепторов не имеет ни один человеческий орган.

В обыкновенной коленке кровеносных сосудов почти столько же, сколько и в головном мозге

Полученные в ходе экспериментов сведения позволили ученым более полно определить те функции, которые этот супердатчик выполняет в колене. Оказалось, что в основном они сводятся к регулированию всех нагрузок, которые испытывают в данный момент конечность и сустав.

А осуществляет эту работу головной мозг, в котором крестовидная связка представлена отдельным участком нейронов. Любая нагрузка, которой подвергается колено, моментально проверяется, насколько она сильна и опасна. Для этих целей в крестовидной связке находятся сверхпроводящие волокна, обеспечивающие моментальную передачу сигнала от «Х-комплекса» в мозг. Что это действительно так, свидетельствуют следующие данные: так, если в обычных волокнах скорость передачи сигнала от 40 до 80 метров в секунду, то в сверхпроводящих она больше 180 метров в секунду.

Таким образом, в колене человека обнаружена особая система рецепторов, которые контролируют не только нагрузку на нижние конечности, но и принимают деятельное участие в координации движений, а также совместно с вестибулярным аппаратом, кожей и зрением обеспечивают равновесие тела в пространстве.

Правда, более детальное устройство и точный механизм функционирования этой уникальной системы до сих пор не исследованы. И, возможно, она в будущем преподнесет биологам еще немало открытий…

Видимо, попутно следует обратить внимание еще на одно уникальное устройство, которое находится в наших ногах. Начнем же со статистики, которая утверждает, что от колыбели до катафалка мы успеваем сделать в среднем 150 миллионов шагов, проделав при этом путь в 100 тысяч километров. Осуществляют же эту работу в основном ноги и главная их часть, так сказать, оплот и опора – ступня. Ею мы отталкиваемся, на нее опираемся, на нее приземляемся во время прыжков.

Она состоит из 26 костей, 114 связок и 20 мышц. Основу же этого шедевра составляют кости. Они – это каркас, который крепит всю конструкцию. В него включены 7 костей предплюсны, 5 костей плюсны и 14 костей пальцев. Они образуют два свода, вложенных один в другой. Вдоль ступни, как мостик, протянулся ее продольный свод, а в предплюсне сформировался еще и поперечный свод. А чтобы все эти косточки нормально работали, их обволакивают многочисленные крепкие мышечные волокна и связки. Именно пружинящий свод стопы является исключительно человеческим приобретением. Даже прыгучие кенгуру и тушканчики обходятся без него.

Известно, что при каждом шаге весь наш вес в какой-то момент времени приходится на самый краешек пятки. Состоит она из соединительной и жировой ткани, напоминая мягкую подушечку. Именно пятка и смягчает толчки и удары, от которых наше тело сотрясалось бы при беге и ходьбе.

При ходьбе наша ступня испытывает давление, равное весу тела. Когда же мы начинаем бежать или прыгаем, испытываемые ступней нагрузки уже в 2–3 раза превышают вес нашего тела.

Но ступня может выдержать и не такое. Так, когда конькобежец, разогнавшись до 60 километров в час, минует вираж, на его ноги приходится нагрузка до 1300 килограммов.

Конечно, в этот момент его ногам не позавидуешь. Впрочем, как и всем остальным частям тела. Если бы не рессорные свойства свода стопы, бег и прыжки могли бы запросто привести к летальному исходу. Ученые подсчитали, что благодаря тому, что стопа имеет сводчатое строение, во время различных движений ног гасится 70 процентов перегрузок. И хотя в меньшей степени, но позвоночник, коленный и тазобедренный суставы тоже гасят ударное ускорение.

Но когда эта уникальная конструкция нарушается, – а происходит это при плоскостопии, – нашему организму приходится туго. Не погашенные сводом стопы нагрузки на суставы увеличиваются, и они быстрее изнашиваются. Достается и мозгу. И, чтобы создать дополнительную пружину-амортизатор для его защиты, начинает искривляться позвоночник.

Но не только амортизационные свойства ступни вызывают у нас удивление и восхищение. Оказывается, ступня – это еще и своеобразный микрокомпьютер, который управляет движением всей огромной машины, именуемой человеческим телом.

Так, стоит нам остановиться на месте, как незаметно для самих себя мы начинаем покачиваться. Наше тело клонится то вперед, то назад, то вбок. И пусть эти отклонения совсем незначительные, они все равно смещают центр тяжести. Всякий раз ступня должна уловить это малозаметное смещение и компенсировать его, иначе нам грозит немедленное падение.

Еще сложнее стопе заботиться об устойчивости человека во время ходьбы или бега. Любая неровность, на которую опустилась бы стопа, могла бы закончиться для нас приземление на… нос.

Многие сотни нервных рецепторов, расположенных на подошве наших ног, заботятся о том, чтобы этого не случилось. Они постоянно обеспечивают мозг самой подробной информацией о положении ног. Он же в свою очередь шлет бессознательные нервные импульсы, побуждающие мышцы ног и ступни молниеносно корректировать свое положение.

Но вот как умудряются наши мышцы молниеносно реагировать на поступающие сигналы, корректируя положение тела в пространстве? – еще один вопрос, на который наука пока не нашла ответа.