Опорно-двигательный аппарат состоит из скелета и мышц. Скелет является пассивной частью опорно-двигательного аппарата. Он образован костями, хрящами и связками. В скелете человека более 200 костей (у новорожденных количество костей несколько больше).
Функции скелета:
+ опорная (прикрепление мышц к костям скелета, сохранение формы тела и поддержание его равновесия);
+ защитная (защита от повреждений жизненно важных органов - головного мозга, сердца, легких и др.);
+ участие в минеральном обмене (содержание в костях солей кальция, фосфора, магния, железа и др.);
+ кроветворная (образование форменных элементов крови в красном костном мозге).
Кость - это орган, состоящий в основном из пластинчатой костной ткани, покрытый надкостницей и имеющий внутри полость, в которой находится костный мозг.
Мышцы - это активная часть опорно-двигательного аппарата; их сокращения обусловливают движение организма и отдельных его частей.
Химический состав кости: живая кость содержит 50% воды, 12,5% белков (оссеин, коллаген), 21,8% неорганических солей (фосфат и карбонат кальция) и 15,7% жиров и углеводов.
Высокая прочность костей обеспечивается сочетанием упругости органических и твердости минеральных веществ. В костях детей больше органических веществ, и они более упругие, чем кости взрослого человека. С возрастом в костях увеличивается содержание минеральных солей, замедляется процесс биосинтеза белков, кости становятся более ломкими и хрупкими, что значительно повышает вероятность переломов. Прочность костей уменьшается и при недостатке в пище витаминов А, D и C.
Кость состоит из нескольких видов соединительной ткани, но преобладает костная. В процессе развития большинства костей (за исключением мозгового черепа) выделяют три стадии: соединительно-тканную, хрящевую и костную.
Клеточный состав кости:
+ остеоциты - основные клетки, обеспечивающие обменные процессы;
+ остеобласты, - недифференцированные делящиеся клетки, из которых образуются остеоциты;
+ остеокласты - клетки, участвующие в рассасывании поврежденных и регенерирующих участков костной ткани.
Межклеточное вещество (костный матрикс) представлено коллагеновыми волокнами и основным веществом, состоящим из минеральных солей и гликопротеинов.
Рассмотрим микроскопическое строение кости. Различают два вида вещества костной ткани: компактное и губчатое. Компактное вещество состоит из слоев пластин и слоя остеонов. Пластины охватывают кость целиком, образуя концентрические слои; состоят из основного вещества, в котором параллельными слоями располагаются пучки коллагеновых волокон; между пластинами находятся остеоциты (рис. 81). Остеон (гаверсова система) — структурная единица костной ткани, представляющая собой систему тонких, концентрически расположенных вокруг сосудов пластин в виде цилиндров, вставленных один в другой. Центральный (гаверсов) канал остеона содержит кровеносные сосуды (артерия и вена). Губчатое вещество образовано костными перекладинами (балками), расположенными рыхло с промежутками между ними. Оно состоит из пластинок в плоских костях, в эпифизах трубчатых и в губчатых костях. Расположение костных перекладин соответствует направлениям, по которым кость испытывает нагрузки в виде сжатия и растяжения. Губчатое вещество - ячеистое, по виду напоминает губку, его ячейки заполнены красным костным мозгом (кроветворный орган).
Рис. 81. Строение остеона: 1 - пластинка остеона; 2 - остеоциты; 3 - центральный канал (канал остеона)
Теперь рассмотрим макроскопическое строение кости. По строению и форме кости подразделяются на губчатые, плоские, смешанные и трубчатые. Губчатые кости состоят преимущественно из губчатого вещества, покрытого тонким слоем компактного. Они бывают короткие (кости запястья, предплюсны) и длинные (ребра, грудина). Плоские кости ограничивают полости, в которых помещаются органы, или служат для прикрепления мышц (кости черепа, лопатки). Они образованы двумя пластинками компактного вещества с тонким слоем губчатого вещества между ними. Смешанные кости состоят из нескольких частей, имеющих разное строение и выполняющих различные функции (тело позвонка - губчатая кость, отростки позвонка - плоские кости). Трубчатые кости имеются в органах, совершающих быстрые и разнообразные движения. Они бывают короткие (кости кисти и стопы) и длинные (кости плеча, предплечья, бедра, голени).
Длинная трубчатая кость имеет тело (диафиз) и две головки (эпифизы). Между телом и головками кости расположен эпифизарный хрящ, обеспечивающий рост кости в длину. Наружный слой диафиза образован толстой пластинкой компактного костного вещества, а внутренний - губчатым веществом. Внутри диафиза расположена костно-мозговая полость, заполненная желтым костным мозгом (жировая ткань). Головки трубчатых костей образованы губчатым костным веществом, содержат суставные поверхности, покрытые гиалиновым хрящом. Кроме суставных поверхностей снаружи кость покрыта надкостницей (слой волокнистой соединительной ткани). Она состоит из двух слоев: наружного - волокнистого и внутреннего - клеточного, где находятся остеобласты, обеспечивающие рост кости в толщину и заживление костных переломов, и остеокласты, разрушающие кости. Через надкостницу проходят нервы и сосуды, обеспечивающие питание кости, ее рост и регенерацию.
Части скелета имеют три типа соединения: неподвижное, полуподвижное и подвижное. Неподвижное (непрерывное) соединение костей осуществляется двумя способами: швами (соединение костей черепа) и срастанием костей (кости таза с крестцом, крестцовые позвонки). Полуподвижное (полупрерывное) соединение - это соединение с помощью хрящей (грудные позвонки, ребра с грудиной). Подвижное (прерывное) соединение костей (сустав) является наиболее распространенным и сложным (рис. 82).
Сустав состоит из суставных поверхностей сочленяющихся костей, суставной сумки, суставной полости и суставной жидкости. Суставные поверхности костей покрыты гладким гиалиновым хрящом (облегчение движения костей в суставе). Суставная поверхность одной из костей сустава (головка) - выпуклая, а суставная поверхность другой (впадина) - вогнутая. Суставная сумка охватывает суставные поверхности сочленяющихся костей, образуя замкнутую суставную полость, заполненную суставной жидкостью. Суставы укрепляются связками, которые располагаются вне суставной сумки или внутри нее.
Рис. 82. Подвижное соединение костей: 1 - суставная сумка; 2 - суставная полость, заполненная синовиальной жидкостью; 3, 5 - суставные поверхности сочленяющихся костей; 4 - суставной хрящ
По форме суставных поверхностей суставы бывают:
+ плоские (между костями запястья и пястья);
+ цилиндрические (между локтевой и лучевой костями); + эллипсоидные (между костями предплечья и кисти); + шаровидные (плечевой сустав).
По движению вокруг осей выделяют суставы: + одноосные (межфаланговые) - движение вокруг одной оси: сгибание и разгибание;
+ двухосные (лучезапястные) - движение вокруг двух осей: сгибание и разгибание, приведение и отведение;
+ трехосные (плечевые) - движения вокруг трех осей: сгибание и разгибание, приведение и отведение, вращение внутрь и наружу и круговые движения.
По строению выделяют суставы:
+ простые - только две суставные поверхности (межфаланговые);
+ сложные - больше двух суставных поверхностей (локтевой, коленный).
Скелет - это совокупность костей тела, соединенных между собой с помощью хрящей и связок. В скелете человека выделяют три отдела: скелет головы, туловища (осевой), конечностей и их поясов (рис. 83).
Рис. 83. Скелет (вид спереди): 1 - череп; 2 - скелет туловища; 3 - скелет нижней конечности; 4 - скелет верхней конечности
Скелет головы (череп) состоит из мозгового и лицевого отделов. Многие кости черепа имеют отверстия и каналы для прохождения нервов и кровеносных сосудов, некоторые из них - полости, заполненные воздухом (пазухи). В полости черепа располагается головной мозг. Кроме того, имеются полости для рта, носа и органов зрения и слуха. Все кости черепа, за исключением нижней челюсти и подъязычной кости, соединены неподвижно. Нижняя челюсть соединяется с височными костями посредством сустава (рис. 84).
К моменту рождения на темени остается мягкий неокостеневший участок - родничок. Неполное окостенение черепа ребенка имеет очень большое значение при родах, когда происходит некоторое сжатие черепа новорожденного.
Верхняя часть мозгового черепа называется крышей, нижняя - основанием. В основании имеется большое затылочное отверстие, через которое соединяются спинной и головной мозг. В состав мозгового черепа входят 8 костей: 2 парные (теменная и височная); и 4 непарные (лобная, затылочная, решетчатая и клиновидная).
Лицевой череп содержит 15 костей: 6 парных (верхнечелюстная, скуловая, носовая, слезная, нёбная, нижняя носовая раковина); 3 непарные (нижняя челюсть, сошник, подъязычная кость). Верхнечелюстные и нёбные кости срастаются и образуют перегородку между носовой и ротовой полостями - твердое нёбо. Верхнечелюстные кости и нижняя челюсть содержат ячейки (альвеолы), в которых располагаются корни зубов.
Рис. 84. Строение черепа: 1 - лобная кость; 2 - теменная кость; 3 - височная кость; 4 - затылочная кость; 5 - скуловая кость; 6 -верхнечелюстная кость; 7 - нижняя челюсть; 8 - носовая кость
Скелет туловища включает позвоночник и грудную клетку. Позвоночник образован 33-34 позвонками и имеет 5 отделов: шейный - 7 позвонков; грудной - 12 позвонков; поясничный - 5 позвонков; крестцовый - 5 позвонков и копчиковый - 4-5 позвонков. Все позвонки делятся на свободные (истинные) - их 24 и сросшиеся (ложные) - их 9-10. Каждый позвонок состоит из тела и дуги, от которой отходят несколько отростков. Между телом позвонка и дугой находится позвоночное отверстие. При наложении позвонков друг на друга эти отверстия образуют позвоночный канал, в котором располагается спинной мозг. Размеры позвонков увеличиваются от шейного отдела к поясничному. Между позвонками находится хрящевая ткань. Крестцовые и копчиковые позвонки срастаются, образуя крестец и копчик (рис. 85).
Позвоночник человека образует 4 физиологических изгиба:
+ в шейном и поясничном отделах изгибы обращены выпуклостью вперед (лордозы);
+ в грудном и крестцовом отделах изгибы обращены выпуклостью назад (кифозы).
Грудная клетка образована грудиной, грудными позвонками и 12 парами ребер: 1-7-я пары ребер с помощью хряща непосредственно соединены передними концами с грудиной (истинные ребра); 8-10-я пары соединяются передними концами с хрящом вышележащего ребра (ложные ребра); 11-12-я пары лежат свободно и передние их концы оканчиваются в мягких тканях (колеблющиеся ребра). В грудной клетке располагаются сердце, легкие, трахея, пищевод, крупные сосуды и нервы. Благодаря ритмичным движениям дыхательных мышц она принимает участие в дыхании.
Скелет конечностей состоит из скелета пояса (прикрепляет конечности к осевому скелету) и скелета свободной конечности.
Скелет пояса верхней конечности включает лопатку и ключицу. Скелет свободной верхней конечности состоит из плечевой кости, 2 костей предплечья (локтевая и лучевая) и костей кисти (8 костей запястья, 5 костей пястья и 14 фаланг пальцев). Кости свободной верхней конечности соединены друг с другом с помощью суставов. Суставы кисти отличаются подвижностью и разнообразием движений.
Рис. 85. Позвоночный столб: а - вид сбоку; б - вид спереди; I - шейный отдел; II - грудной отдел; III - поясничный отдел; IV - крестцовый отдел; V - копчиковый отдел; 1, 3 - шейный и поясничный лордозы; 2, 4 - грудной и крестцовый кифозы
Скелет пояса нижней конечности представлен тазовой костью, образованной срастанием подвздошной, седалищной и лобковой костей (срастание происходит в возрасте 17-18 лет). Скелет свободной нижней конечности состоит из бедренной кости, надколенника, костей голени (большой и малой берцовой) и костей стопы (7 костей предплюсны, 5 костей плюсны и 14 фаланг пальцев). Кости стопы образуют изгибы в продольном и поперечном направлениях (продольный и поперечный своды). Своды выполняют функцию амортизаторов при ходьбе и прыжках.
Особенности скелета человека, связанные с прямохождением и трудовой деятельностью: вертикальное расположение позвоночника; увеличение массы позвонков от шейного отдела к поясничному; наличие физиологических изгибов позвоночника (смягчают толчки при ходьбе, прыжках и беге, увеличивают размеры грудной клетки и таза); грудная клетка плоская и широкая; широкий и массивный таз, который поддерживает внутренние органы; массивные нижние конечности; стопа сводчатая (выпуклая), что смягчает толчки тела при ходьбе; преобладание мозгового отдела черепа над лицевым; сглаживание надглазничных дуг; подвижная кисть, высокая степень противопоставления большого пальца всем остальным; хорошо развитые ключицы, обеспечивающие круговые движения рук; наличие подбородочного выступа на нижней челюсти, что связано с речевой функцией.
У человека более 400 скелетных мышц (около 1/3 массы тела взрослого человека). Скелетная мышца состоит из поперечно-полосатой мышечной ткани (рис. 86). Поперечно-полосатые мышечные волокна объединяются в пучки, покрытые соединительно-тканными оболочками. Между мышечными пучками проходят кровеносные и лимфатические сосуды, мелкие нервы. В совокупности мышечные пучки образуют скелетную мышцу, покрытую более плотной оболочкой - фасцией. В каждой мышце различают сокращающуюся часть - мышечное брюшко (тело) и несокращающуюся - сухожилие (плотная волокнистая соединительная ткань), с помощью которого мышцы прикрепляются к костям обоими концами. Мимические мышцы прикреплены одним концом к кости, а другим - к коже. Сухожилия скелетных мышц перекинуты через суставы и прикреплены к разным костям. Сокращаясь, мышца укорачивается, утолщается и движется относительно соседних мышц. Укорочение мышцы сопровождается сближением ее концов и костей, к которым она прикрепляется.
Рис. 86. Строение скелетной мышцы: 1 - сухожилие; 2 - мышечные пучки, окруженные соединительно-тканной оболочкой; 3 - миофибриллы; 4 - мышечное волокно, окруженное соединительно-тканной оболочкой; 5 - кровеносный сосуд; 6 - фасция
В зависимости от величины различают мышцы длинные и короткие; в зависимости от формы - широкие и веретенообразные. Длинные мышцы располагаются преимущественно на конечностях, широкие - на туловище, короткие - между ребрами и позвонками. Наиболее простой является веретенообразная форма мышц, имеющих утолщенное брюшко и два конца, один из которых (верхний) обычно является началом (неподвижная точка), а другой (нижний) - местом прикрепления (подвижная точка) мышцы. Подвижный конец может прикрепляться к костям в одной точке (мышцы предплечья), в двух (двухглавая мышца), трех (трехглавая) и более.
По функции скелетные мышцы делятся на сгибатели (обеспечивают движение вперед); разгибатели (обеспечивают движение назад - все, кроме коленного и голеностопного суставов); отводящие (обеспечивают движение наружу); приводящие (обеспечивают движение внутрь); вращающие (мышцы, расположенные косо).
В каждом движении обычно участвует несколько групп мышц. По характеру взаимодействия мышцы подразделяются на синергисты (группы мышц, выполняющие одновременно одну функцию (жевательные и височная)) и антагонисты - мышцы, выполняющие противоположные функции (двухглавая мышца плеча - сгибатель, а трехглавая мышца плеча - разгибатель).
Основные группы мышц:
+ мышцы головы, и шеи (жевательная, височная, круговые мышцы глаза и рта, мимические, грудино-ключичнососцевидная, челюстно-подъязычная);
+ мышцы туловища (мышцы спины - трапециевидная, широчайшая; мышцы груди - большая грудная, межреберные, диафрагма; мышцы живота - наружная и внутренняя косые, прямая);
+ мышцы плечевого пояса и верхней конечности (дельтовидная, подлопаточная, двух- и трехглавая, плечевая, сгибатели и разгибатели кисти и пальцев);
+ мышцы тазового пояса и нижней конечности (ягодичные, грушевидная, портняжная, икроножная, большеберцовая, малоберцовая, сгибатели и разгибатели пальцев).
Функции мышц: двигательная (вместе с костями обеспечивают движение тела и отдельных его частей, определяют положение тела в пространстве и равновесие); защитная (мышцы живота защищают от повреждений органы брюшной полости); фиксация суставов (предотвращают ненужные движения); участие в дыхательных движениях, образовании звуков, движении глаз; обеспечение жевания, глотания, образования тепла, мимики, речи, активное нагнетание венозной крови по направлению к сердцу и т. д.
Сокращаясь, мышца действует на кость как на рычаг и производит механическую работу. Работа мышц является необходимым условием их жизнедеятельности и зависит от протекающих в мышце обменных процессов.
Сила мышц зависит от площади сечения всех мышечных волокон. Величина сокращения мышц зависит от длины мышечных волокон.
Любое мышечное сокращение связано с расходом энергии. Ее источником служат органические вещества, которые поступают в мышцу с артериальной кровью. Кровь приносит также кислород, необходимый для кислородного этапа энергетического обмена. Поступившие в мышцу питательные вещества (глюкоза, жирные кислоты) расщепляются до молочной кислоты, которая затем окисляется до диоксида углерода и воды с выделением энергии, аккумулирующейся в аденозинтрифосфат (АТФ) - универсальный источник энергообеспечения мышечного сокращения. Для работающих мышц характерен интенсивный обмен веществ, сопровождающийся сложными химическими превращениями с выделением и затратой большого количества энергии. Одни химические реакции протекают с участием кислорода, другие - без него.
При усиленной физической нагрузке мышцы выделяют больше диоксида углерода, что сопровождается такими реакциями, как усиление выделения адреналина, увеличение частоты дыхания и пульса, расширение кровеносных сосудов мышц, усиление снабжения мышц кислородом; повышение кислотности крови.
Мышечное сокращение связано со следующими реакциями:
+ гликоген → глюкоза → молочная кислота + энергия (АТФ);
+ молочная кислота + O2 = CO2 + H2O + энергия (АТФ);
+ АТФ → АДФ + Н3РО4 + энергия (используемая для сокращения).
Механизм мышечного сокращения довольно сложен. Нервный импульс приводит мышцу в возбужденное состояние и увеличивает проницаемость мембраны мышечного волокна для ионов кальция. Они устремляются внутрь миофибрилл и активизируют миозин. Активированный миозин отщепляет от АТФ остаток фосфорной кислоты, при этом освобождается энергия, которая способствует соединению миозина с актином и образованию актин-миозинового комплекса (мышца сокращается и выполняет работу). После сокращения мышцы актин-миозиновый комплекс разрушается, ионы кальция выходят из миофибрилл, мышца расслабляется, кровь уносит диоксид углерода и воду.
Сокращение скелетных мышц иннервирует (регулирует) соматическая нервная система. Она обеспечивает быструю реакцию мышц на раздражение. Кроме того, работоспособность скелетных мышц (снабжение кислородом и питательными веществами) контролируется вегетативной нервной системой.
Мышцы никогда, даже в покое, не бывают полностью расслаблены, они находятся в состоянии некоторого напряжения - тонуса. Сокращение скелетной мышцы происходит в ответ на раздражение, передающееся из нервной системы по двигательному нервному волокну, т. е. носит рефлекторный характер. Мышечный рефлекс может начинаться с раздражения зрительных, слуховых, осязательных рецепторов или рецепторов, находящихся в самой мышце либо в сухожилиях.
В регуляции работы мышц участвуют следующие отделы центральной нервной системы:
+ передняя центральная извилина коры больших полушарий обеспечивает произвольные движения;
+ подкорковые центры больших полушарий обеспечивают автоматические движения (бег, ходьба);
+ средний мозг осуществляет регуляцию тонуса мышц;
+ мозжечок обеспечивает поддержание равновесия и координацию движений, сложнорефлекторные движения;
+ различные отделы головного мозга регулируют действие мышц через проводящие пути и двигательные корешки спинного мозга.
Динамическая работа - это поочередное сокращение скелетных мышц, обеспечивающих движение тела и его частей. Статическое напряжение мышц - это напряжение скелетных мышц, обеспечивающее поддержание тела в пространстве или удержание груза.
Мышца не может работать непрерывно. При длительном сокращении наступает постепенное снижение ее работоспособности, сокращения становятся замедленными. Такое состояние носит название мышечного утомления, развивающегося особенно быстро при статическом напряжении мышц.
Причинами утомления мышц являются: торможение нервных центров (центральной нервной системы), регулирующих работу мышц; нарушение передачи нервных импульсов от нервных центров к мышцам по двигательным (центробежным) нервным волокнам; нарушение питания мышцы и доставки кислорода, вследствие чего в ней накапливаются недоокисленные продукты обмена (молочная кислота).
При выполнении ритмических физических упражнений (динамическая работа) утомление наступает медленнее, так как в промежутках между сокращениями работоспособность мышц частично восстанавливается. Чем больше нагрузка и чем чаще ритм сокращений, тем быстрее наступает утомление (мышца не успевает восстановиться). При очень большом напряжении (бег на короткие дистанции) гликоген (глюкоза) расщепляется до молочной кислоты быстрее, чем может окисляться молочная кислота, и она накапливается в организме. В таких случаях говорят, что мышца имеет кислородную задолженность (мышечное утомление), которая компенсируется усиленным вдыханием кислорода. Наибольшая работоспособность сохраняется при средних ритме и нагрузке (особенно у тренированных людей).
Русский физиолог И.М. Сеченов предложил теорию активного отдыха, согласно которой утомление проходит быстрее при активном отдыхе. В основе этой теории лежит явление активации «утомленного» нервного центра работавшей мышцы центром другой работающей мышцы.
Физические упражнения способствуют формированию опорно-двигательного аппарата, так как кость растет усиленно в тех направлениях, в которых испытывает большее натяжение или сжатие. Сухожилия мышц прикрепляются к гребням и буграм костей, поэтому чем сильнее развиты мышцы, тем прочнее кости скелета. Чем большую работу совершает мышца, тем больше питательных веществ и кислорода приносит к ней кровь, вследствие чего мышцы растут, и человек становится сильнее. Мышечная работа сопровождается изменениями в деятельности сердечно-сосудистой системы, органов дыхания и центральной нервной системы. Ткани получают больше кислорода, и в них активизируются обменные процессы.
Систематические занятия физической культурой и спортом укрепляют здоровье человека, обеспечивают устойчивость к воздействию различных факторов окружающей среды, способствуют росту его выносливости за счет активизации нервных центров, регулирующих работу мышц.
Организм человека поддерживается в вертикальном положении мышцами-разгибателями (мышцы спины), которые противостоят мышцам-сгибателям и силе тяжести, действующей вместе с ними. Осанка - это привычное положение тела при различных состояниях (стояние, походка, работа). Формирование осанки происходит в возрасте 6-7 лет. При нарушении функции мышц-разгибателей (мышц спины) возникают нарушения осанки (например, сутулость). Это приводит к нарушению работы сердца и легких. В детском возрасте, когда хрящевая ткань в позвонках еще не заменилась костной, могут возникать разнообразные искривления позвоночника: боковое (сколиоз); избыточный грудной кифоз (горб); избыточный поясничный лордоз. Они нарушают нормальную деятельность сердечно-сосудистой системы, органов дыхания и пищеварения. Еще одним нарушением развития скелета является плоскостопие - уплощение свода стопы. Искривлению позвоночника и развитию плоскостопия способствуют: слабое развитие мышц, рахит, постоянное ношение тяжестей в одной руке, неправильная посадка детей за партой, ношение в период роста тесной обуви и обуви на высоком каблуке, несбалансированное питание (недостаток белков, минеральных солей, витаминов).
Чрезмерная физическая нагрузка, неосторожные движения, падения могут привести к вывихам и переломам костей. При вывихе происходит смещение костей в суставе, растяжение и разрыв связок, при переломе — нарушение целостности костей.
Первая медицинская помощь при вывихах и переломах. При вывихе необходимо придать конечности положение, при котором боль не ощущается, зафиксировать сустав и приложить холодный компресс (снег, лед). При переломе необходимо наложить на поврежденный участок повязку с шиной, захватывающей два соседних с переломом сустава.