Текст книги "Взламывая анатомию"

Глава 4
Двигай телом

Опорно-двигательная система

Когда-то давно мышечная и скелетная системы решили объединиться, чтобы мы смогли двигаться. Наши кости способны на многое, но для движения им необходимы мышцы. Без мышц осознанное движение невозможно.

Мышцы бывают трех форм и относятся к двум разным группам. Скелетная мышца – это тип, который чаще всего ассоциируют со словом «мышцы». Как следует из названия, такая мышца прикрепляется к скелету. Ее еще называют произвольной или поперечно-полосатой. Вы не можете осознанно управлять сердечной мышцей и гладкой мускулатурой, поэтому они относятся к непроизвольно сокращающимся мышцам. Гладкие и сердечные мышцы описаны в главе 5 «Кроваво-красная магистраль» на стр. 113.

Опорно-двигательная система во многом полагается на соединительную ткань и активно эксплуатирует ее для собственных нужд. Наши кости соединяются между собой эластичной волокнистой соединительной тканью (связками).

Пространства, образованные в месте соединения костей, называются суставами.

Суставы покрыты упругой соединительной тканью – хрящом. Мышцы прикрепляются к костям с помощью жестких волокон соединительной ткани, которые называются сухожилиями.

Еще одна разновидность соединительной ткани для крепления мышц – фасции. Фасции соединяют мышцы между собой и фиксируют их.

Наш костный ансамбль состоит из 206 участников, самый крупный из которых – бедренная кость, или бедро, а самый мелкий – стремечко в среднем ухе. Более половины костей нашего тела расположены в руках и ногах. Кстати говоря, когда вы были ребенком, то костей у вас было гораздо больше. Просто часть из них срослась, выполнив свою основную функцию.

Кости похожи на строительные балки. Эта прочная, живая и подвижная соединительная ткань постоянно перестраивается, восстанавливается и обновляется. Изношенные кости растворяются и заменяются новой тканью.

Без костей мы были бы бесформенными, слизнеобразными студнями жира, кожи и мышечной массы, не способными защитить свои органы от воздействий. Кости не только выполняют двигательную функцию и защищают наше сердце, легкие и центральную нервную систему (головной и спинной мозг), но и помогают дышать, останавливать кровотечения и бороться с инфекциями. Как? Предоставляя для производства кровяных клеток площадку, лежащую в глубине костного мозга.

Но на этом их польза не заканчивается. Наши кости служат хранилищем для важнейших минералов – кальция и фосфатов, которые выделяются в кровь в случае необходимости.

Ну и насколько сильно вы любите свой скелет сейчас?

Осевой скелет

Как правило, все кости относятся к двум типам скелетов. В состав осевого скелета входят череп, позвоночник, ребра и грудина. Проведите воображаемую линию от макушки головы вниз. Эти кости образуют центральную вертикальную ось, которая защищает всю центральную нервную систему и внутренние органы. А добавочный скелет включает все кости, которые прикрепляются к центральной оси.

Череп защищает мозг и органы чувств. Наши глаза погружены в глубокие глазницы, а «детектор запаха» всей обонятельной системы находится в носовой полости. Существуют разные классификации костей черепа. Если классифицировать их по подвижности, то выделяют череп и нижнюю челюсть.

Кости черепа защищают самый ценный орган – мозг.

Также можно классифицировать кости черепа в соответствии с тем, что именно они защищают: мозговой отдел черепа (круглый свод черепа и лобная часть, в которых расположены мозг и его ствол) и лицевой отдел черепа (лицевые кости, которые защищают органы чувств и являются основой для крепления лицевых мышц).

Семь пар грудинных (истинных) ребер соединяются с грудиной реберными хрящами. Три пары ложных ребер соединяются с груди– ной седьмым ребром. У некоторых людей две последние пары свободных ребер могут отсутствовать.

Грудная клетка состоит из 12 пар изогнутых костей, которые защищают сердце и легкие. По способу крепления к грудине или позвоночнику выделяют истинные, ложные и свободные ребра. На грудине, или грудной кости, есть небольшая косточка – мечевидный отросток, который реаниматологи используют в качестве ориентира для проведения непрямого массажа сердца.

Позвоночник

Позвоночник, или позвоночный столб, состоит из 33 позвонков. Он поддерживает голову и туловище, а также служит основой для крепления ребер. Позвоночный столб имеет изогнутую форму, необходимую для равномерного распределения веса. 24 верхних позвонка соединяются друг с другом суставами, благодаря чему мы можем наклоняться и поворачиваться. По структуре и типу нагрузки выделяют три отдела позвоночника: шейный, грудной и поясничный. Нижний отдел позвоночного столба состоит из двух сросшихся позвонков: крестца и копчика.

Что у нас в костях?

Разгрызть кости куда сложнее, чем кажется, если глядеть на собак. Давайте взглянем на бедро. Тело длинной кости называется диафизом, а выпуклые концы – эпифизами.

Собаки не глупы: в костном мозге содержится множество полезных элементов. Он бывает двух типов. Внутри диафиза находится желтый костный мозг, который состоит в основном из жировых клеток. У взрослых в желтом жире из костного мозга присутствуют стволовые клетки, создающие костную и хрящевую ткани. Желтый мозг является резервом для создания клеток крови, но обычно все клетки крови производит красный костный мозг.

Нашу кость формируют два типа оссеина, или костной ткани. Стенки диафиза состоят из трубчатой кости – крепкой и компактной, способной выдерживать тяжелый вес и не ломаться. В эпифизах, наоборот, преобладает внутренний слой губчатой кости, заполненный красным костным мозгом.

Типичная длинная кость состоит из структур, способных накапливать минеральные вещества и создавать клетки крови.

Наружную часть кости выстилает надкостница – двухслойная мембрана из соединительной ткани. Ее внешний слой состоит из волокон коллагена. Именно к надкостнице прикрепляются мышцы, сухожилия и связки. Она содержит нервные, кровеносные и лимфатические сосуды, которые переносят питательные вещества к компактному веществу кости. В более глубоком клеточном слое присутствуют стволовые (остеогенные) клетки, создающие остеобласты – строительные кирпичики костей.

Костные клетки

Остеогенные клетки.

Эти стволовые клетки – единственные клетки в кости, способные к делению. Они формируют внутреннюю оболочку эндоста (внутренней надкостницы).

Остеобласты.

Кость – это каркас, или матрикс, создаваемый остеобластами. Остеобласты секретируют вещества, которые становятся основой для коллагеновых белковых волокон. Затем к этим волокнам прилипают, затвердевая, соли фосфата кальция.

Остеоциты.

За состоянием кости следят более зрелые типы остеобластов – остеоциты. Эти клетки созревают по мере окостенения остеобластов в матриксе. Остеоциты «живут» в небольших участках матрикса, называемых лакунами. Это овальные клетки с множеством отростков. Их цитоплазма проходит по небольшим канальцам, позволяющим остеоцитам взаимодействовать друг с другом и обмениваться полезными веществами или продуктами распада.

Остеокласты.

Остеокласт не остеогенный по происхождению. Это скорее лейкоцит второго поколения и потомок макрофагов (см. параграф «Белые кровяные тельца» на стр. 146–149). Такие клетки присутствуют в надкостнице и в эндосте. Остеокласты с остеобластами следят за тем, чтобы скорость разрушения и реабсорбции существующей кости не превышала скорость образования новой ткани. В противном случае может возникнуть остеопороз.

У каждого из четырех типов костных клеток своя роль.

Губчатая и трубчатая кости

В разных костях содержится разное количество костной ткани. Несмотря на то что губчатые и трубчатые кости состоят из одинаковых материалов, их внутреннее строение различается.

Трубчатая кость формирует внешнюю стенку костей. Это второй по твердости материал в нашем организме (после зубной эмали); на его долю приходится 80 % веса костей. Трубчатая кость в разы плотнее губчатой, поэтому такая кость выглядит белой и гладкой.

Трубчатая кость формирует твердую и прочную защитную оболочку вокруг губчатой кости. В ней содержится плотно упакованный костный материал.

Трубчатую кость формируют микроскопические столбики (остеоны), которые состоят из концентрических колец остеоцитов. Такое кольцо называют ламеллой (костной пластинкой). В центре каждого остеона располагается Гаверсов канал, выстланный эндостом. В эндосте содержатся нервы, кровь и лимфатические сосуды, которые разветвляются во внешний и внутренний слои кости. Трубчатая кость покрыта надкостницей.

В здоровом состоянии наши кости не ломаются при беге или прыжках, потому что трабекулы губчатой кости смягчают механическую нагрузку.

Губчатая кость – это внутренняя костная ткань. Она присутствует на концах длинных костей, костей таза, ребер, позвонков и черепа. Благодаря своей пористой структуре губчатая кость подвижнее и слабее трубчатой кости. Общая поверхность губчатых костей примерно в десять раз больше, чем трубчатых.

Губчатая кость состоит из костных балок, или перекладин (трабекул), которые формируют пористую основу. Поверхность трабекулы выстлана эндостом. Характер роста трабекул обусловливается нагрузкой на кость. Пространство внутри трабекул заполнено красным костным мозгом. Остеонов нет, но лакуны заняты остеоцитами (как и в компактной кости).

Отличительной особенностью всех позвоночных, будь то ныне живущие или уже вымершие, является наличие внутреннего скелета, или эндоскелета. К позвоночным относятся люди и другие млекопитающие, земноводные, рептилии, птицы и рыбы. Млекопитающие состоят из сотен костей. Например, у синего кита их около 350, а нижний предел у взрослого человека начинается от 206 костей. Считается, что в теле гигантских змей можно насчитать 500 позвонков, и каждый из них прикрепляется к своей паре ребер. Однако у подавляющего большинства змей 120–240 позвонков.

Форма костей

Как вы уже поняли, кости различаются по местоположению и выполняемым функциям. Внешний вид кости крайне важен, поскольку он определяет выполняемую функцию. Существует пять типов костей.

Женский скелет миниатюрнее мужского. Но определять пол костного материала на основании морфологических отличий не всегда правильно – из-за естественного разнообразия людей в популяции. Вот несколько интересных гендерных различий.

Мужские и женские скелеты отличаются по размеру и форме.

Хрящ

Если кости нужна гибкость, то она идет за помощью к хрящу. Эта гладкая, прочная и подвижная соединительная ткань присутствует во всех суставах у взрослых. Она покрывает концы костей, заменяя надкостницу.

На этом микроснимке изображена структура наружного уха с эластичным хрящом, который расположен между перихондрием.

Хрящ, как и кость, образуют клетки, создающие матрикс из хондробластов. Этот матрикс поддерживают более зрелые клетки – хондроциты, обитающие в лакунах матрикса. Под микроскопом хондроциты похожи на игрушечные глазки, которые лежат на ложе из белково-углеводной гиалоплазмы с коллагеном и/или эластином. Будучи аваскулярными, или бессосудистыми, хрящи получают питательные вещества диффузно, через плотную соединительную ткань (перихондрий). Эта мембрана покрывает хрящ, и из-за нее он медленнее заживает после повреждения.

Типы хрящей

Существует три типа хрящей.

Гиалиновый хрящ.

Формирует незрелый скелет и сохраняется в виде специальной пластины роста, расположенной в эпифизе длинных костей. Гиалиновый хрящ создает тонкую прослойку на суставных поверхностях костей. Помимо этого, его можно найти в кончике носа и в некоторых участках дыхательных путей: гортани, трахее и кольцах бронхов (см. параграф «Бронхи и бронхиолы» на стр. 171). Гиалиновый хрящ богат разрозненными коллагеновыми волокнами, что делает его гладким и скользким.

Соединительнотканный хрящ.

Этот тип амортизирует кости позвоночника и встречается в коленном суставе. Соединительнотканный хрящ содержит много пучков коллагена, что делает его особенно прочным и сильным.

Эластичный хрящ.

Образует наружное ухо и надгортанник, который закрывает гортань при глотании. В эластичном хряще преобладает другой белок – эластин. Этот белок придает хрящу гибкость и объясняет, почему наши уши сначала согнутся, а только затем сломаются.

Развитие костей

Кости плода начинают развиваться в форме твердого хряща. Затем, в процессе роста организма, они сливаются и затвердевают. Этот процесс подчиняется основному закону структурной инженерии: исчезновение трубчатой структуры приводит к небольшому снижению прочности, но зато сопутствующее этому снижение веса становится крайне удобным для остальной части опорно-двигательной системы. Процесс замены хряща на кость (окостенение) начинается с тела кости и идет к ее концам, формируя там губчатую кость.

В детском возрасте мягкие диски гиалинового хряща, присутствующие в местах соединения эпифиза с диафизом (так называемый метафиз), проходят через стадию быстрого деления клеток. Хрящевая пластинка роста, или эпифизарная пластинка, – это участок, с которого кости начинают удлиняться. Новые клетки выталкивают старые к центру, из-за чего последние сплющиваются и затвердевают. По мере этого процесса кость постепенно удлиняется, а мы становимся выше.

К четырем годам наш мозг получает колоссальные объемы информации, для чего требуется огромное количество энергии. Однажды наступает момент, когда тело больше не может поддерживать одновременно рост и мозга, и самого организма. Поэтому принимает решение о временном замедлении роста костей, чтобы мозг мог потреблять всю необходимую энергию.

На рентгеновском снимке эпифизарная пластинка выглядит как невидимая линия между двумя костями. У взрослых эпифизарная пластина затвердевает и отображается как белая линия. Во взрослом организме кости продолжают расти, но только в диаметре.

В период полового созревания приоритеты меняются. К этому времени наш мозг уже дорос до того уровня, когда ему требуется меньше ресурсов. В качестве благодарности за это мозг высвобождает из гипофиза и гипоталамуса ряд половых гормонов, которые стимулируют последний скачок в развитии. Тогда эпифизарные пластинки начинают вновь создавать новые клетки с молниеносной скоростью. Это продолжается до тех пор, пока нам не исполнится двадцать лет. Затем пластинка роста перестает делиться, затвердевает и окостеневает.

Мозговой отдел черепа

Мозговой отдел черепа действительно уникален, ведь его образуют сразу восемь костей, или пластин. Изначально эти кости представляли собой отдельные структуры, которые после рождения стали срастаться. Наложение или смещение пластин выполняет сразу две функции: помогает головке малыша вытягиваться при прохождении через родовые пути и позволяет подстроиться под высокую скорость роста мозга.

Роднички – это мягкие пространства между костями черепа новорожденных и младенцев. Со временем они полностью срастутся

Она срастается с соседними костными клетками и образует эпифизарную линию. На рентгеновских снимках эпифизарная линия заметна в месте соединения диафиза и эпифиза.

В период полового созревания мозг запускает последний скачок в развитии.

Суставы и связки

Суставы – это места соединения костей друг с другом. Связки – это эластичные пучки волокон соединительной ткани. Они выполняют поддерживающую функцию в суставах, брюшной полости и в тканях молочной железы.

Суставы – это своего рода «место встречи», в котором кости могут состыковаться в комфортной среде и с минимальными трудностями. Все происходящее здесь зависит от типа сустава.

Из всех шести синовиальных суставов наибольшую амплитуду движений обеспечивает шаровидный сустав (есть в плече и бедре).

Синовиальные суставы. Это самые подвижные суставы. Они располагаются в костях коленей, локтей и кистей рук. Суставы выстланы гладким слоем соединительной ткани – синовиальной оболочкой, которая обеспечивает им большую амплитуду движений. Эта мембрана в одну клетку толщиной выделяет синовиальную жидкость, которая хорошо смазывает сустав и препятствует его высыханию. Синовиальные суставы заключены в прочную капсулу – суставную сумку, которая помогает суставу сохранять целостность и предотвращает нестандартные движения. По типу движения синовиальные суставы делятся на следующие группы: блоковидный, плоский, цилиндрический, шаровидный, седловидный и мыщелковый.

Фиброзные суставы. В основном эти суставы зафиксированы и не двигаются. К этому типу относятся суставы черепа плода, более известные как швы черепа. Фиброзная ткань внутри суставов соединяет кости черепа друг с другом (см. «Мозговой отдел черепа» на стр. 91). В период активного мозгового роста суставы остаются гибкими. А затем, когда темп роста замедляется, швы начинают срастаться, становясь неподвижными.

Хрящевые суставы. Хрящевая ткань соединяет две кости, придавая им частичную подвижность на малых расстояниях. Хрящевые суставы соединяют ребра с грудиной; именно поэтому грудная клетка способна расширяться. Но, как всегда, здесь не обошлось без исключений. К таким исключениям относятся межпозвоночные диски, которые, будучи фиброзными суставами, содержат хрящевую ткань (это фиброзно-хрящевые суставы, см. «Типы хрящей» на стр. 89), придающую им небольшую мобильность.

Роль связок

Связки – это пучки коллагеновых и эластиновых белковых волокон, их создают фибробласты. Сами фибробласты располагаются между волокнами и питаются губчатой тканью, которая переносится по кровеносным сосудам и нервам. Скелетно-мышечные связки проходят через надкостницу и соединяют две кости, образуя сустав. Кроме того, связки препятствуют вывихам костей, ограничивая их движение.

Внутренние органы не плавают в животе; их удерживают на месте различные структуры, в том числе и брюшные связки. Также связки поддерживают форму и тонус женской груди.

Связки соединяют два участка кости.

Скелетные мышцы

Можно было бы перебрать вам косточки, но, к счастью, они защищены мышцами. Без мышц мы бы не смогли двигаться. Эти мягкие ткани крепятся к скелету плотными соединительно-тканными сухожилиями и создают движение за счет своего сокращения и расслабления. В нашем теле насчитывается около 600 мышц – разных по размерам, формам и функциям.

На первый взгляд, названия, используемые для описания мышц, не всегда логичны. Поэтому не лишним будет узнать, что мышцы получают свое название в зависимости от ряда характеристик.

Скелетные мышцы различаются по размеру. Самая крупная – это ягодичная мышца (формирующая ягодицы), а самая мелкая – стременная мышца в ухе, длина которой не превышает 1 мм. Различия в размерах обусловлены количеством мышечных волокон, их диаметром, длине брюшка (центральной части) мышцы или объемом выполняемой работы. Поэтому названия некоторых групп мышц начинаются со слов большая или малая. Например, большая грудная мышца является самой крупной из двух грудных.

Для названия мышц по топографическому расположению используют обозначения анатомических плоскостей. Например, передняя большеберцовая мышца обозначает более крупную берцовую мышцу, расположенную перед другой. Называть мышцы можно и по их форме. Так, дельтовидная мышца – дельтовидная, или треугольная. Кроме того, мышцы могут называться по выполняемому ими движению. Например, длинная приводящая мышца приводит или отводит бедро от срединной линии. И наконец, для обозначения мышц также используется количество головок (точек прикрепления мышц). Бицепсы и трицепсы получили свое название по количеству головок: две или три соответственно.

Большая часть скелетной мускулатуры парная и дублируется в левой или правой стороне тела. Мышцы располагаются под кожей и прикрепляются к гиподерме полоской или прослойкой соединительной ткани (фасцией). Для скелетных мышц характерны произвольные движения, но они участвуют и в некоторых непроизвольных (например, рефлексах) (см. «Рефлексы» на стр. 98–99).

Архитектура мышц

Клеточным компонентом скелетных мышц является мышечное волокно, названное так из-за вытянутой формы. Макроскопически наши мышцы собраны в пучки, обернутые в соединительно-тканную фасцию. Фасция сходится на концах мышц, образуя сухожилия, которые и прикрепляют мышцы к костям.

У тонких и длинных клеток волокна ядра смещены к краю клеточной мембраны, или сарколеммы. Благодаря этому остается больше места для сократительных элементов, расположенных внутри клетки. Каждое мышечное волокно содержит более мелкие нити волокон – миофибриллы. Эти белковые пучки цилиндрической формы располагаются параллельно друг другу, благодаря чему скелетная мышца под микроскопом кажется заштрихованной. Внутри каждого волокна располагаются тысячи длинноцепочечных белков (миофиламентов), составляющих работающую мышечную единицу. Миофиламенты считаются эффекторными сократительными единицами, потому что они накладываются друг на друга, как сцепленные в замок пальцы. Это позволяет клетке укорачиваться, из-за чего мышца сокращается. Существует два типа миофиламентов: актин и миозин. Их собирательное название – актомиозин.

Так устроена скелетная мышца.