Опорно-двигательная система человека

Опорно-двигательная система человека состоит из скелета и мышц и выполняет следующие функции:

1) опорную — для всех других систем и органов;

2) двигательную — обеспечивает передвижение тела и его частей в пространстве;

3) защитную — предохраняет от внешних воздействий органы грудной и брюшной полости, мозг, нервы, сосуды.

Скелет человека

Скелет человека составляет около 15% от массы тела. Различные авторы насчитывают в составе скелета от 206 до 230 костей. Эти несоответствия связаны с тем, что у разных людей не совпадает число позвонков, ребер и других костей. Кроме того, до сих пор нет единого мнения о том, следует ли считать костями зубы или нет. Число костей скелета меняется также в зависимости от возраста человека. Самой длинной костью скелета является бедренная — ее длина составляет в среднем 27,5% от роста человека, а самой маленькой — одна из слуховых костей среднего уха — стремечко.

Строение костей

В состав костной ткани входят органические вещества, придающие им упругость (коллаген), и неорганические вещества, главным образом минеральные соли фосфора, кальция, магния. Минеральные соли придают костям твердость. Если путем выжигания удалить из кости органические вещества, то кость будет по-прежнему твердой, но очень хрупкой, бьющейся, как стекло. Если же при помощи соляной кислоты растворить минеральные соли, то кость станет мягкой и упругой, так что ее можно будет завязывать узлом. В костях детей больше органических веществ, и они более упруги, чем кости взрослого человека. Наиболее прочны кости у людей в возрасте 20-40 лет. У пожилых людей из-за нарушений минерального обмена кости становятся хрупкими.

Под микроскопом становится видно, что кость состоит из огромного числа трубочек, называемых остеонами. Остеон представляет собой несколько слоев тончайших костных пластинок, расположенных концентрически вокруг канала, по которому проходят кровеносные сосуды, питающие остеон, и нервные волокна. Между костными пластинками расположены костные клетки — остеоциты — с многочисленными отростками. Если костные трубочки уложены в кости плотно, то образуется так называемое компактное вещество кости, а если рыхло, то губчатое вещество кости.

В качестве примера рассмотрим строение бедренной кости. Средняя часть кости называется диафизом, а концевые суставные головки называются эпифизами. Внутри диафиза находится канал, наполненный желтым костным мозгом. Поэтому такие кости, как бедренная, называются трубчатыми. Диафиз образован компактным веществом и покрыт снаружи особой оболочкой из соединительной ткани — надкостницей. В ней проходит большое число кровеносных сосудов и расположено множество болевых рецепторов. Внутренний слой надкостницы состоит из особых клеток — остеобластов. Делясь, остеобласты образуют костное вещество, за счет чего кость растет в толщину. Кроме того, остеобласты играют ведущую роль при срастании переломов. Эпифизы бедренной кости образованы губчатым веществом, промежутки между которым заполнены красным костным мозгом. Снаружи эпифизы покрыты очень прочным и гладким гиалиновым хрящом толщиной около 0,5 мм. Этот хрящ сводит к минимуму трение между костями в суставах.

В детском возрасте кости в значительной степени состоят из хрящевой ткани, а с возрастом происходит постепенное окостенение. В последнюю очередь происходит замена хряща на кость в области шеек костей, то есть между диафизом и эпифизами. В этих областях клетки хряща делятся, за счет чего и происходит рост костей в длину. Окончательное окостенение шеек длинных костей происходит у женщин к 16-18 годам, а у мужчин немного позднее — к 20-22 годам. После этого рост прекращается.

Кроме длинных трубчатых костей, к которым относятся кости бедра, голени, плеча и предплечья, различают еще короткие трубчатые кости (например, кости пальцев), губчатые кости (ребра, грудина, запястье), плоские кости (лопатки, тазовые кости, кости мозговой части черепа), смешанные кости (кости основания черепа).

Соединения костей в скелете

Соединения костей необходимы либо для обеспечения движения одной кости относительно другой, либо для получения прочной механической структуры из нескольких костей. Таким образом, различают подвижные, полу подвижные, неподвижные соединения.

Подвижные соединения — суставы. Чаще всего сустав состоит из суставных поверхностей костей, покрытых гиалиновым хрящом, причем эти поверхности по форме строго соответствуют друг другу. Место контакта костей прикрыто прочной оболочкой из соединительной ткани — суставной сумкой, образующей герметичную суставную полость. В суставной полости находится синовиальная жидкость, необходимая для уменьшения трения в суставе.

Неподвижные соединения характерны, например, для соединения костей мозговой части черепа. При этом небольшие выступы одной кости заходят в выемки на другой кости. Получающийся при этом шов очень прочен, прочнее окружающих его костей.

Промежуточной формой сочленения костей является полуподвижное соединение. В этом случае кости соединены между собой через упругие хрящевые прокладки. К полуподвижным соединениям относят соединения позвонков в шейном, грудном и поясничном отделах, соединение ребер с грудиной и грудными позвонками.

Отделы скелета

Скелет человека состоит из следующих отделов: скелета головы, скелета туловища, скелета конечностей. Основа скелета — позвоночный столб, состоящий из 33-34 позвонков. Позвонок состоит из тела и дуги с несколькими отростками. Дуги позвонков замыкают позвоночные отверстия, которые, располагаясь друг над другом, образуют позвоночный канал, в котором проходит спинной мозг. Тела позвонков соединены между собой через хрящевые межпозвоночные диски и удерживаются при помощи многочисленных связок. Благодаря такому соединению большая часть позвоночника является упругой и гибкой. Так как хрящевые диски могут сжиматься, то к вечеру рост человека уменьшается на 1-2 см, а при больших физических нагрузках даже больше.

Позвоночник разделяется на следующие отделы: шейный (7 позвонков), грудной (12 позвонков), поясничный (5 позвонков), крестцовый (5 позвонков) и копчиковый (4-5 позвонков). Чем ниже расположен позвонок в позвоночнике, тем больше на него нагрузка и тем массивнее его тело. В связи с переходом людей к прямохождению в позвоночнике образовались четыре изгиба, два из которых — лордозы — направлены выпуклостью вперед: шейный и поясничный, а другие два — кифозы — направлены выпуклостью назад: грудной и крестцовый. Благодаря лордозам и кифозам обеспечивается надежная амортизация головного мозга при ходьбе, беге, прыжках.

У человека, как и всех других млекопитающих, за исключением только ленивцев и ламантина, семь шейных позвонков, из которых два первых обеспечивают повороты головы. Верхний шейный позвонок — атлант — не имеет тела, а его дуги срослись с костями основания черепа.

Грудной отдел позвоночника состоит из 12 грудных позвонков, которые полуподвижно соединены с 12 парами ребер. Семь верхних ребер также полуподвижно соединены с грудной костью, или грудиной. Восьмые, девятые и десятые ребра соединены не прямо с грудиной, а через хрящи с вышележащими ребрами. Одиннадцатые и двенадцатые ребра, отходя от позвоночника, не доходят до грудины, а оканчиваются в мышцах. Грудина состоит из рукоятки, к которой присоединяются ключицы, тела, к которому присоединяются 1-7 пара грудных ребер, и мечевидного отростка. Грудные позвонки, ребра и грудина образуют грудную клетку, в которой расположены сердце, легкие, трахея и пищевод. Благодаря движениям грудной клетки осуществляется внешнее дыхание.

Поясничный отдел позвоночника образован пятью массивными поясничными позвонками.

Крестцовые позвонки (в количестве пяти) срастаются в единый прочный крестец, сросшийся с тазовыми костями. Такая мощная конструкция образовалась для того, чтобы обеспечить опору телу при переходе к прямохождению, и характерна только для человека. Окончательное срастание крестцовых позвонков происходит обычно к 18-20 годам.

Копчиковый отдел позвоночника у человека образован 4-5 маленькими сросшимися позвонками и до известной степени рудиментирован.

Скелет головы, называемый черепом, включает в себя 23-25 костей. Череп подразделяют на мозговой и лицевой отделы. Мозговой отдел черепа образован неподвижно соединенными костями: лобной, двумя теменными, двумя височными, затылочной, клиновидной и решетчатой. У новорожденного ребенка эти кости соединены между собой через многочисленные прослойки соединительной ткани и хряща, образующих роднички. Роднички делают череп эластичным, что необходимо при родах. Кроме того, объем мозга после рождения человека увеличивается за несколько первых лет жизни приблизительно в 5-6 раз, и необходимо, чтобы объем мозгового отдела черепа также соответственно возрастал. Окончательное окостенение швов происходит только к 20-25 годам. Известны случаи, когда швы черепа не окостеневают совсем, как, например, у великого философа И. Канта, дожившего до 80 лет. Кости мозгового отдела пронизаны многочисленными отверстиями, через которые проходят кровеносные сосуды и нервы. Самое крупное отверстие расположено в затылочной кости — через него спинной мозг соединяется с головным. Большие полости имеются в височных костях, в них расположены органы слуха и равновесия.

Лицевой отдел черепа образован многочисленными парными и непарными костями. Все они соединены между собой неподвижно, исключение составляет нижняя челюсть.

Скелет плечевого пояса служит для соединения скелета верхней конечности с остальным скелетом. В его состав входят две лопатки и две ключицы. Лопатки — плоские треугольные кости, расположенные на задней стороне грудной клетки и соединенные с ней только посредством мышц. Ключицы — 8-образные кости, соединенные с грудиной и лопаткой. Скелет свободной верхней конечности образован плечевой костью, костями предплечья (локтевой и лучевой) и костями кисти. Скелет кисти образован восемью костями запястья (у взрослого человека две кости срастаются, и остается семь), расположенными в два ряда; пятью костями пястья и фалангами пальцев. В большом пальце — две фаланги, а в остальных — по три.

Скелет тазового пояса служит для соединения скелета нижней конечности с позвоночником. Тазовый пояс образуется за счет срастания двух подвздошных, двух седалищных и двух лобковых костей. В месте соединения этих костей находится вертлужная впадина, в которую входит головка бедренной кости.

Скелет нижних конечностей образован бедренной костью, костями голени (большая и малая берцовая) и костями стопы. Стопа состоит из 7 костей предплюсны (самая крупная из которых — пяточная), 5 костей плюсны и фаланг пальцев (2 — в большом пальце и по 3 — в остальных).

Мыщцы человека

Различают три вида мышц: поперечнополосатые, гладкие и сердечные. Основная черта мышечных клеток состоит в том, что они способны преобразовывать химическую энергию АТФ в механическую энергию сокращения.

Поперечнополосатые мышцы

Поперечнополосатые мышцы выполняют в организме целый ряд функций: передвижение человека и частей его тела в пространстве; поддержание позы; дыхание; жевание и глотание; артикуляция и мимика; защита внутренних органов. Большая часть поперечнополосатых мышц прикреплена к костям скелета, и их называют скелетными мышцами. К скелетным мышцам относят мышцы головы, туловища, конечностей. У среднего человека масса мышц составляет 30-40% от массы тела. У тренированных людей этот показатель достигает 50% . В теле человека насчитывают около 400 мышц.

Строение поперечнополосатых мышц и их сокращение

Поперечнополосатые мышцы сокращаются произвольно, то есть по нашему желанию. Сокращение происходит в том случае, когда к мышце приходят электрические импульсы из соответствующих отделов центральной нервной системы. Скелетные мышцы прикреплены к костям своими сухожилиями. Большинство скелетных мышц обеспечивают движение какого-либо сустава, делясь на сгибатели, разгибатели, приводящие сустав, отводящие сустав, вращатели сустава. Обычно в любом движении сустава участвуют несколько групп мышц. Мышцы, совместно участвующие в каком-то движении сустава, называют синергистами, а мышцы, участвующие в движении этого же сустава в противоположном направлении, — антагонистами. Например, в локтевом суставе сгибатель — двуглавая мышца — и разгибатель — трехглавая мышца — являются антагонистами. Так как работа каждого сустава находится под контролем высших отделов нервной системы, работа всех групп мышц, обслуживающих какой-либо сустав, происходит согласованно. Так, если необходимо согнуть локтевой сустав, то двуглавая мышца сокращается, а разгибатель — трехглавая — соответственно расслабляется, чтобы не мешать движению сустава. Если же двуглавая и трехглавая мышцы одновременно сократятся, развивая одинаковое усилие, то локтевой сустав зафиксируется в каком-то определенном положении.

Каждая мышца покрыта соединительнотканной оболочкой, отделяющей ее от других мышц. Эти оболочки участвуют в образовании сухожилий, которые образованы очень прочными соединительнотканными оболочками, сросшимися с костью. При травмах сухожилие обычно не разрывается, а отрывается от мышцы или кости. Сухожилие четырехглавой мышцы, например, способно выдержать нагрузку около 600 кг!

Образованы мышцы длинными многоядерными цилиндрическими клетками, которые называются мышечными волокнами. Диаметр этих клеток составляет от 5 до 100 микрон, а длина бывает очень большой и достигает 10-12 см. Каждое такое волокно состоит, в свою очередь, из множества тончайших нитей, способных к сокращению, — миофибрилл. Миофибриллы в мышечном волокне расположены параллельно. При большом увеличении под микроскопом видно, что миофибрилла поперечно исчерчена, то есть в ней чередуются темные и светлые участки, образующие повторяющиеся вдоль миофибриллы одинаковые участки — саркомеры. Каждая миофибрилла состоит из многих тысяч последовательно соединенных саркомеров. Они отделены друг от друга так называемыми 2-пластинами. Длина каждого саркомера — около 2,5 микрон. Саркомер образован нитями двух видов белков — актина и миозина. Нити актина прикреплены к 2-пластинам, а между нитями актина расположены более толстые нити миозина. На поперечном разрезе миофибриллы видно, что каждая нить миозина окружена шестью нитями актина.

Когда из центральной нервной системы по аксону нейрона приходит нервный импульс, то из утолщения на конце аксона, расположенного на поверхности мышечного волокна, выделяется небольшое количество особого химического вещества — медиатора. Такие утолщения в месте контакта нервной и мышечной клеток получили название нервно-мышечного синапса. Медиатором в синапсах скелетных мышц является ацетилхолин. Под действием ацетилхолина состояние актина и миозина меняется, и нити миозина начинают заходить глубже в промежутки между нитями актина. Таким образом, каждый саркомер укорачивается примерно в два раза, 2-пластины сближаются, и все мышечное волокно укорачивается или сокращается. Если сократилось большое число волокон какой-либо мышцы, то вся она сокращается, утолщаясь при этом. Как только действие ацетилхолина прекращается, происходит расслабление мышцы: миозин выходит из промежутков между нитями актина, длина всех саркомеров возвращается в исходное состояние, а следовательно, и длина всей мышечной клетки увеличивается до исходной.

Работа поперечнополосатых мышц

На работу мышц тратится большое количество АТФ. Вот почему содержание этого вещества в мышцах заметно выше, чем в клетках большинства органов. Скелетные мышцы способны развивать значительное усилие. Так, одно мышечное волокно, сокращаясь, способно поднять груз весом до 200 милиграммов. Считается, что во всех мышцах человека содержится около 30 миллионов волокон. Таким образом, все мышцы человека, сократясь одновременно, способны создать усилие в 30 тонн! Однако это чисто теоретический расчет, так как все мышцы не могут сократиться одновременно ни при каких условиях.

Чем чаще сокращается какая-либо мышца и чем выше на нее нагрузка, тем быстрее развивается в ней утомление. Утомлением называется временное снижение работоспособности мышц. Причины утомления заключаются в том, что при работе в мышце накапливаются продукты обмена, препятствующие ее нормальному сокращению: молочная кислота, фосфорная кислота, калий и др. Кроме того, при длительной работе происходит утомление в тех отделах мозга, которые управляют движениями. Однако при кратковременном прекращении работы, то есть отдыхе, работоспособность мышц быстро восстанавливается, так как кровь удаляет из мышц вредные продукты обмена. У тренированных людей это происходит очень быстро, а у людей с нетренированными мышцами кровоток в них слабее, продукты обмена выносятся медленно, и такие люди после физической работы долго мучаются болями в мышцах.

В естественных условиях мышца сокращается рефлекторно, под действием импульсов, приходящих из центральной нервной системы. Примером сгибательных рефлексов может служить коленный рефлекс. Рецепторы этого простейшего двигательного рефлекса лежат в сухожилиях мышц, и когда невропатолог ударяет молоточком по сухожилию, рецептор растяжения возбуждается и посылает нервные импульсы в спинной мозг. Рецептор представляет собой окончание аксона чувствительного (афферентного) нейрона.

Тела этих нейронов находятся в специальных узлах, расположенных вдоль спинного мозга. По аксону чувствительного нейрона возбуждение (сигнал о том, что сухожилие растянуто) достигает двигательного (эфферентного) нейрона или мотонейрона. Тела мотонейронов расположены в передних рогах спинного мозга. Мотонейрон возбуждается, и по его аксону возбуждение достигает ноги, мышца возбуждается и сокращается. Аксон мотонейрона ветвится в мышце и образует нервно-мышечные окончания (синапсы) на нескольких мышечных волокнах. Мотонейрон и те мышечные волокна, которыми этот мотонейрон управляет, вместе называются двигательной единицей. В глазных мышцах, где требуются очень тонкие движения, один мотонейрон управляет всего 2-5 мышечными волокнами, то есть двигательная единица очень маленькая. В мышцах пальцев руки в двигательной единице содержится 10-20 мышечных волокон. В икроножной мышце, которая не должна совершать очень тонких движений, двигательная единица включает до 1000 волокон.

Характер сокращения мышцы зависит от того, с какой частотой поступают к мышечным волокнам импульсы по аксонам мотонейронов. Если сокращение нужно лишь для поддержания позы, то частота поступающих импульсов равна 5-20 имп./сек, если же необходимо достичь резкого, сильного, длительного сокращения, то эта частота составляет приблизительно 50 имп./сек.

Группы поперечнополосатых мышц

Мышцы верхней конечности разделяют на: 1) мышцы пояса верхних конечностей; 2) мышцы свободной верхней конечности. Мускулатура пояса верхней конечности соединяет лопатку и ключицу с костями грудной клетки. Она обеспечивает движение в области плечевого сустава. Мускулатура свободной верхней конечности включает в себя мышцы плеча, обеспечивающие движение в плечевом и локтевом суставах; мышцы, предплечья, являющиеся сгибателями и разгибателями кисти и пальцев; мышцы кисти, обеспечивающие движение пальцев.

Мышцы, нижней конечности включают в себя: 1) мышцы таза; 2) мышцы свободной нижней конечности. К мышцам таза относят те мышцы, которые начинаются на тазовых костях и прикрепляются к бедренной кости. Эти мышцы участвуют в движении тазобедренного сустава. Кроме того, они участвуют в поддержании вертикального положения тела. К мышцам свободной нижней конечности относят мышцы бедра, сгибающие и разгибающие бедро и голень, а также участвующие в движении тазобедренного сустава; мышцы, голени, сгибающие и разгибающие стопу; мышцы стопы, участвующие в движении подошвы, пальцев и т. д.

К мышцам туловища относят мышцы спины, груди и живота. Мышцы спины участвуют в движении конечностей, обеспечивают вертикальность тела, наклоны и повороты туловища, принимают участие в движениях головы и шеи. Мышцы груди осуществляют движения верхней конечности, межреберные мышцы обеспечивают дыхательные движения. К мышцам груди относят также и диафрагму — мышцу, разделяющую полость тела на грудную и брюшную полости. Диафрагма имеет три отверстия, через которые проходят пищевод и два крупных сосуда — аорта и нижняя полая вена. Диафрагма участвует в дыхании. Когда к ее мышечным волокнам приходят импульсы от нейронов дыхательного центра, она опускается, и объем грудной клетки увеличивается для вдоха. Мышцы живота образуют стенки брюшной полости. Они защищают находящиеся в ней органы и участвуют в сгибании и поворотах туловища.

Мышцы шеи наклоняют и поворачивают голову, а также способны поднимать две верхние пары ребер, участвуя в дыхательных движениях. Мышцы этой группы образуют также нижнюю стенку ротовой полости, опускают нижнюю челюсть и способны изменять положение гортанных хрящей и языка, участвуя в произнесении некоторых звуков.

]Мышцы головы подразделяют на: 1) жевательные; 2) мимические; 3) мышцы, внутренних органов головы. Жевательные мышцы поднимают и опускают нижнюю челюсть, развивая очень значительные усилия при разгрызании, откусывании и пережевывании пищи. Мимические мышцы отличаются от всех скелетных мышц тем, что одним концом они прикреплены к костям черепа, а другим — к коже, изменяя при своем сокращении форму и глубину кожных складок. Мимические мышцы в основном располагаются вокруг отверстий: ротового, глазных, ушных, носовых — и анатомически независимы друг от друга. Сокращаясь, мимические мышцы способны отражать психическое состояние, настроение человека. У животных мимические мышцы развиты гораздо слабее, чем у человека. Мышцы внутренних органов головы, обеспечивают движения языка, мягкого нёба, глаз, среднего уха.

Гладкие мышцы

Гладкие мышцы входят в состав стенок внутренних органов: желудка, кишечника, матки, мочевого пузыря и др., а также большинства кровеносных сосудов. Гладкие мышцы сокращаются медленно и непроизвольно. Гладкомышечные клетки невелики: диаметр и составляет 2-10 микрон, а длина — 50-400 микрон. Эти клетки имеют одно ядро. Основой сократимости гладких мышц, так же как и поперечнополосатых, является взаимодействие белков актина и миозина. Однако нити актина и миозина расположены в клетках гладких мышц не так упорядоченно, саркомеры отсутствуют. Скорость скольжения актина относительно миозина мала: в 100 раз медленнее, чем в поперечнополосатых мышцах. Поэтому гладкие мышцы сокращаются так медленно — в течение десятков секунд. Но благодаря этому тратится меньше АТФ, образуется меньше продуктов обмена и гладкие мышцы могут находиться в состоянии сокращения очень долго, а утомление в них практически не развивается. Например, мышцы стенок артерий находится в сокращенном состоянии всю жизнь человека. Клетки гладких мышц очень тесно прижаты друг к другу, и между ними образованы специальные контакты, через которые возбуждение свободно переходит с одной клетки на другую. Поэтому при возбуждении одной клетки может возбудиться вся гладкая мышца, и по ней пройдет волна сокращения. Это очень важно для нормальных движений стенок желудка и кишечника.