Зачем телу столько хлопот: скрытые роли скелета
Первое, что приходит на ум - механическая поддержка. Без рёбер, позвоночника и таза мы превратились бы в бесформенную массу, но этим дело не ограничивается.
Кости работают рычагами. Мышцы тянут за них, словно за рукоятки, и каждое движение - результат продуманной биомеханики. Тазобедренный сустав - шаровой шарнир, локоть - петля. Это даёт нам и силу броска, и точность захвата.
Другая задача - защита внутренних полостей. Черепная коробка амортизирует удары и хранит мозг почти как сейф. Позвоночный канал, составленный из костных колец, прячет спинной мозг - главный информационный кабель организма. Грудная клетка гасит давление извне, оберегая сердце и лёгкие, а малый таз прикрывает мочевой пузырь, прямую кишку и репродуктивные органы.
Менее очевидная, но критически важная функция - кроветворение. В ячейках губчатого вещества, внутри плоских костей, позвонков и концов длинных костей располагается красный костный мозг. Именно он штампует эритроциты, тромбоциты и основную массу лейкоцитов. Без этого завода по производству крови жизнь остановилась бы за считанные дни.
Кости - ещё и гигантское хранилище минералов. Порядка 99% кальция тела лежит именно здесь, в кристаллах гидроксиапатита. Магний, натрий, фосфор тоже складируются в костной ткани и при необходимости выбрасываются в кровоток. Когда в рационе не хватает кальция, организм берёт его из собственных костей, словно со сберегательного счёта.
Недавно выяснилась и эндокринная роль: костные клетки выделяют вещества, которые диктуют почкам, как распоряжаться фосфатами, и влияют на чувствительность к инсулину. Скелет, оказывается, напрямую участвует в регулировке сахара и жирового обмена.
Рецепт кости: коллагеновая сетка, пропитанная минералом
Если разобрать кость на компоненты, получится на две трети неорганика и примерно на треть - органика. Неорганическая часть - это главным образом кристаллы гидроксиапатита, соли кальция и фосфора. Они придают твёрдость, сравнимую с некоторыми сортами бетона, но одновременно и хрупкость. Органическая фракция на 90–95% состоит из коллагеновых волокон (преимущественно I типа). Эти нити скручены в пучки и создают упругую арматуру, не позволяющую кости раскалываться при ударе. Остальное - вода.
Соотношение меняется от возраста: у ребёнка коллагена больше, поэтому детские переломы часто неполные, по типу «зелёной ветки» - кость гнётся, но не ломается до конца. В старости коллаген деградирует, минеральный компонент преобладает, и скелет становится похож на старый фарфор - твёрдый, но бьющийся от малейшего толчка.
Кость под микроскопом: слои и залы
Полноценная кость - орган с собственной архитектурой. Снаружи её окутывает надкостница (периост) - плотная плёнка, которая обеспечивает питание и даёт начало новым костным клеткам. Именно она отвечает за рост в толщину и за сращение отломков после травмы. Исключение - суставные головки: там периоста нет, их покрывает гладкий гиалиновый хрящ.
Если разрезать бедренную или плечевую кость вдоль, видно трубку с толстыми стенками и полостью посередине. Стенка - это компактное вещество, собранное из цилиндрических блоков-остеонов. Каждый остеон похож на многослойное кольцо с каналом внутри, где проходят капилляры. Такая конструкция выдерживает скручивание и продольное сжатие.
На концах длинных костей и внутри коротких, плоских костей прячется губчатое вещество. Его перекладины (трабекулы) не разбросаны хаотично, а выстроены вдоль линий максимальной нагрузки. Именно в ячейках этой губки находится красный костный мозг. Центральная полость диафиза у взрослых заполнена жёлтым костным мозгом - по сути жировой тканью, резервом энергии. Изнутри полость и трабекулы выстилает тонкая мембрана эндост, населённая клетками-строителями и клетками-демонтажниками.
Не только длинные и плоские: форма диктует роль
Классификация костей скорее напоминает сортировку инструментов в мастерской.
- Длинные трубчатые кости (бедренная, плечевая, локтевая, лучевая) - рычаги, у них есть тело и два утолщённых конца.
- Короткие губчатые (запястье, предплюсна) - амортизаторы и блоки, распределяющие давление, они почти целиком состоят из губчатой массы с тонкой коркой компакты.
- Плоские кости (лопатка, грудина, рёбра, теменные кости) формируют стенки полостей и дают обширные площадки для мышц; в них компактное вещество образует две пластины, а между ними спрятан слой губчатого вещества - диплоэ, где много красного мозга.
- Есть смешанные кости вроде позвонков с их отростками и воздухоносные кости - лобная, решётчатая, верхнечелюстная. Внутри них есть выстланные слизистой оболочкой полости (синусы). Они уменьшают вес черепа, служат резонаторами голоса, а заодно иногда преподносят неприятные сюрпризы в виде гайморитов.
Швы, хрящи и шарниры: как кости соединяются
Все соединения костей можно разложить на три большие категории.
Непрерывные, или синартрозы - это фиксация почти без зазора. Сюда относятся фиброзные швы между костями черепа: пилообразные у теменных, ровные у носовых. Сюда же - вколачивание корней зубов в лунки и межкостные мембраны между лучевой и локтевой, большеберцовой и малоберцовой костями. Хрящевые непрерывные соединения (синхондрозы) бывают временными, как прослойка между эпифизом и диафизом у детей, и постоянными - например, грудинно-рёберный стык первого ребра или межпозвоночный диск. Когда хрящ окостеневает, возникает синостоз: крестец, сросшиеся половинки нижней челюсти, костная основа таза.
Переходная форма - симфиз, или полупрерывное соединение. В толще хряща здесь есть микроскопическая щель, но настоящей суставной полости нет. Самый известный пример - лобковый симфиз.
Наконец, прерывные соединения, или истинные суставы - самая свободная и сложная конструкция. Обязательный набор:
- две (иногда больше) суставные поверхности, покрытые скользким гиалиновым хрящом;
- герметичная капсула, наружный слой которой укреплён плотной соединительной тканью, а внутренний, синовиальный, вырабатывает смазку;
- щелевидная полость с синовиальной жидкостью.
Дополнительно могут присутствовать связки внутри и снаружи, хрящевые диски и мениски, суставная губа, углубляющая ямку, и синовиальные сумки, снижающие трение сухожилий.
Вокруг каких осей крутится жизнь: классификация суставов
Самые простые суставы - одноосные. Если форма поверхности напоминает блок или цилиндр, движения возможны только вперёд-назад (сгибание–разгибание), как в межфаланговых суставах, или только вращение вокруг вертикальной оси, как в атлантоосевом суставе, который позволяет сказать «нет», покачивая головой.
Двухосные суставы добавляют ещё одну степень свободы. Эллипсовидный лучезапястный сустав можно сгибать, разгибать, приводить и отводить. Седловидный сустав у основания большого пальца - настоящая биомеханическая драгоценность, именно он даёт кисти возможность противопоставлять палец и захватывать предметы. Мыщелковый коленный сустав приближается к блоковидному, но сохраняет элементы вращения при сгибании.
Самые свободные - многоосные шаровидные суставы. Плечевой и тазобедренный обеспечивают вращение вокруг всех трёх осей, хотя платой за подвижность плеча становится его склонность к вывихам. Плоские суставы (между отростками позвонков) дают скромное скольжение, но в сумме создают гибкость позвоночника.
Осевой скелет: стержень, на котором всё держится
Осевой скелет - 80 костей, выстроенных вдоль средней линии тела. Его задача - защита центральной нервной системы и внутренностей груди.
Череп: броня и лицо
Мозговая часть - это 8 костей, спаянных швами. Лобная, пара теменных, затылочная с большим отверстием для продолговатого мозга, клиновидная, похожая на бабочку, решётчатая, пронизанная воздушными полостями, и две височные с органами слуха. Вместе они создают надёжный купол и сложный рельеф основания с множеством отверстий для сосудов и черепных нервов.
Лицевой отдел из 14 костей формирует глазницы, носовую полость и челюсти. Здесь почти всё парное: верхние челюсти, скулы, нёбные, слёзные и носовые косточки, нижние носовые раковины. Непарные - нижняя челюсть, подвешенная на височно-нижнечелюстных суставах и единственная подвижная в черепе, сошник, участвующий в перегородке носа, и свободно лежащая подъязычная кость, надёжно закреплённая мышцами.
Позвоночник-пружина
33–34 позвонка - не столб, а упругая спираль с амортизирующими изгибами.
- Шейный отдел - 7 позвонков, самый манёвренный. Первый (атлант) лишён тела, он кольцом охватывает зуб второго позвонка, и именно эта конструкция вращает голову.
- Грудной отдел несёт рёбра и минимально подвижен.
- Поясничный принимает основную тяжесть, его позвонки массивны и широки.
- Крестец - 5 сросшихся позвонков, якорь, соединяющий позвоночник с тазом.
- Копчик - рудимент хвоста, сросшийся из 3–5 позвонков.
Изгибы - шейный и поясничный лордозы (вперёд), грудной и крестцово-копчиковый кифозы (назад) - работают как пружины автомобильной подвески, гасят ударные волны при ходьбе.
Грудная клетка: живой щит
12 пар рёбер и грудина образуют конусовидную решётку. Семь пар истинных рёбер собственными хрящами крепятся к грудине. Восьмая, девятая и десятая пары примыкают к хрящу вышележащего ребра, образуя рёберную дугу. Две пары колеблющихся рёбер оканчиваются свободно в мышцах. Сзади каждое ребро имеет суставную связь с грудными позвонками. Грудная клетка защищает сердце и лёгкие, но в то же время её податливость позволяет дышать.
Добавочный скелет: пояса и свободные конечности
Добавочный скелет (126 костей) делает нас прямоходящими и даёт возможность манипулировать предметами. Он присоединяется к осевому через пояса.
Плечевой пояс: подвеска для рук
Лопатка и ключица формируют мост между туловищем и руками. Лопатка - плоская треугольная кость с суставной впадиной для плеча, акромионом и клювовидным отростком для связок. Ключица - единственная прямая костная связь руки с грудиной. Узкая, S-образная, она часто ломается при падении на вытянутую руку.
Свободная рука: от плеча до фаланг
Плечевая кость с шаровидной головкой образует плечевой сустав, а внизу её блок входит в локтевой шарнир. Предплечье: локтевая (со стороны мизинца, с массивным локтевым отростком) и лучевая (со стороны большого пальца, способная оборачиваться вокруг локтевой). Их диафизы связаны перепонкой. Кисть - мозаика из 8 запястных косточек в два ряда, 5 пястных и 14 фаланг. Большой палец несёт две фаланги, остальные - по три.
Таз: фундамент нижних конечностей
Тазовая кость к моменту половой зрелости срастается из трёх частей - подвздошной, седалищной и лобковой - и образует вертлужную впадину для головки бедра. Две тазовые кости спереди скреплены лобковым симфизом, сзади приварены синостозом к крестцу. Так получается тазовое кольцо, передающее вес тела на ноги. Женский таз шире, ниже, с большим углом под симфизом - это прямое следствие эволюционных требований родов.
Свободная нога и стопа-амортизатор
Бедренная кость - самая длинная, прочная и массивная трубчатая кость. К ней относится и надколенник - косточка в толще сухожилия, увеличивающая рычаг при разгибании колена. Голень: большеберцовая кость принимает основную нагрузку, а тонкая малоберцовая служит стабилизатором голеностопного сустава и местом крепления мышц, не участвуя в колене. Стопа построена из 7 костей предплюсны. Таранная, сочленяясь с голенью, передаёт вес на пяточный бугор, а дальше - через ладьевидную, кубовидную и клиновидные кости - на 5 плюсневых костей и 14 фаланг. Продольный и поперечный своды стопы держатся связками и сухожилиями, превращая удар о землю в плавное перекатывание.
От младенчества до старости: как скелет растёт и перестраивается
Скелет начинает закладываться ещё у эмбриона: большинство костей строится через хрящевую модель (непрямой остеогенез), а кости свода черепа и ключица - напрямую из соединительной ткани. У детей между концами и телом длинных костей сохраняется метаэпифизарный хрящ - зона роста. Гормон роста, половые стероиды и другие факторы заставляют хрящевые клетки делиться, увеличивая длину. К моменту окончательного полового созревания эти зоны закрываются, и рост в длину прекращается. Рост в толщину идёт всю жизнь за счёт надкостницы, хотя с возрастом её активность падает.
Кость чутко реагирует на нагрузку. Механицисты называют это законом Вольфа: трабекулы губчатого вещества ориентируются по линиям силового напряжения; в зонах, испытывающих давление, костная масса растёт, а в недогруженных участках - уменьшается. Именно поэтому космонавты в невесомости стремительно теряют кальций, а у лежачих больных развивается остеопороз. Управляют перестройкой сразу несколько гормонов: паратгормон высвобождает кальций из костей, кальцитонин укладывает его обратно, а активная форма витамина D помогает кишечнику всасывать кальций, чтобы не разорять костный склад.
Костная система не просто механический штатив. Это живой, постоянно ремонтируемый и самонастраивающийся орган, который одновременно служит нам броней, заводом крови и банком минералов. Без её скрытой работы невозможно представить ни одной секунды жизни - от биения сердца до вдумчивого движения пальцев.