К ВОПРОСУ О МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВАХ КОСТНОЙ ТКАНИ

Лайуни Рида бен Шедли

Национальный университет физического воспитания и спорта Украины

Активное взаимодействие организма с внешней средой и опосредованное участие в этом всех его многочисленных систем и органов обеспечивается через опорно-двигательный аппарат. Основной же компонент аппарата движений - мышца - отличается от таких систем, прежде всего тем, что она непосредственно преобразует химическую энергию в механическую, достигая довольно высокого коэффициента полезного действия в условиях нормальной температуры тела человека. Основной структурно-функциональной единицей скелета человека является кость. В организме человека каждая кость-это живой, пластичный орган. Она имеет свою морфологическую структуру, функционирует как часть целостного организма и состоит из нескольких тканей. Основной тканью в кости является костная ткань; кроме неё имеются плотная соединительная ткань, образующая, например, оболочку кости, которая покрывает её сосуды снаружи, рыхлая соединительная ткань, одевающая сосуды, хрящевая ткань, покрывающая концы костей или образующая зоны роста, ретикулярная ткань, являющаяся основой костного мозга, и элементы нервной ткани - нервы нервные окончания. Каждая кость имеет определенную форму, величину, строение и находиться в связи с соседними костями. В состав скелета входит 206 костей - 85 парных и 36 непарных. Кости составляют примерно 18% веса тела.

Выделяют пять структурных уровней компактной костной ткани.

Первый уровень составляет биополимерная макромолекула тропоколлагена, построенная из трёх левых спиральных полипептидных цепочек, которые образуют правую спираль, и неорганические кристаллы.

Второй структурный уровень состоит из микрофибрилл коллагена, образуемых пятью молекулами тропоколлагена.

Третий структурный уровень - это волокно, состоящее из большого количества миофибрилл и связанных с ними микрокристаллов. Между отдельными кристаллами образуются связи в продольном и поперечном направлениях. Эта совокупность органических и неорганических веществ является армирующим компонентом костной ткани.

Четвёртый структурный уровень образуется из ламелл - тонких изогнутых пластинок, представляющих наименьший самостоятельный конструктрукционный элемент компактной костной ткани. Коллагеноминеральные композиции, объединённые при помощи вяжущего вещества, служат материалом для пластинок.

Пятый структурный уровень представлен остеоном или гаверсовой системой - конструкционным элементом, который образуется вокруг кровеносных сосудов, включающихся в объём кости при её образовании. Остеон формируется из концентрически расположенных костных ламелл вокруг гаверсового канала, в котором проходят сосуды и нервы.

Остеоны располагаются не беспорядочно, а соответственно функциональной нагрузке, воздействующей на кость. Из остеонов формируются перекладины костного вещества или балки, которые в свою очередь образуют компактное вещество (если перекладины лежат плотно) или губчатое вещество (если перекладины лежат рыхло). Распределение компактного и губчатого вещества зависит от условий функционирования кости. Губчатое вещество располагается там, где при большом объеме кости требуется сохранить её легкость и прочность. В трубчатых костях остеоны располагаются параллельно длине кости.

Функция костной ткани многообразна. Первая и наиболее важная функция опоры для мягких тканей, подавляющее большинство которых располагается в области костных образований и прикрепляется к костям. Мышцы, проходят над местами соединения костей, и производят смещение одной кости в отношении другой или перемещение всего тела относительно поверхности Земли. Тем самым кости как опорные образования (в основном, рычаги) принимают участие в выполнении всех движений, совершаемых человеком. Кости также формируют полости (черепная, спинномозговая, тазовая и грудная) для защиты внутренних органов. В кости находится красный костный мозг, который выполняет функцию кроветворения. Кости осуществляют функцию депо для минеральных веществ и микроэлементов.

В состав живой кости взрослого человека, по данным Гладышевой (1984), входит воды 50 %, жира 15,75%, оссеина (коллагеновых волокон), органического вещества 12,4%, неорганических веществ 21,85%. А по данным Энока (1998) вода составляет около 20% сырой массы кости, остеоколлагеновые волокна, - около 35%, соли - 45%. Неорганические вещества представлены различными солями. Больше всего в кости содержится фосфата извести - 60% , карбоната извести- 5,9%, сульфата магния- 1,4%. Кроме того, в костях имеются представители почти всех земных элементов. Минеральные соли легко растворяются в слабом растворе соляной или азотной кислоты. Этот процесс называется декальцинацией. Костная ткань может выдержать довольно большие нагрузки на сжатие, растяжение, удар. По данным многих специалистов, костная ткань на сжатие приблизительно в пять раз прочнее железобетона, по сопротивлению на разрыв она несколько превышает сопротивление дуба, ее прочность примерно соответствует при этом прочности чугуна. В частности, бедренная кость может выдерживать в среднем до 3т. на сжатие, большеберцовая кость - даже до 4 т. На растяжение компактное вещество кости выдерживает нагрузку 10-12 кг на 1 мм², а на сжатие -12-16 кг. Так, чтобы раздробить бедренную кость давлением, нужно приблизительно 3 тыс. кг, большеберцовую кость - не менее 4 тыс. кг. Оссеин кости выдерживает нагрузку на растяжение 1,5 кг на 1 мм², на сжатие - 2,5 кг. Несущая способность костей при изгибе значительно меньше. Например, бедренная кость выдерживает нагрузку на изгиб до 2,5 * 10³ Н.

Прочность костной ткани обеспечивается сложным сочетанием важнейших ее химических компонентов - органических, неорганических соединений и воды. В зависимости от питания, условий жизни и ряда других факторов в кости меняется процентное соотношение этих компонентов и ее прочность. В костях детей относительно больше, чем в костях взрослых, оссеина, они более эластичны, меньше подвержены переломам, но под влиянием чрезмерных нагрузок легче деформируются. Кости, выдерживающие большую нагрузку, богаче известью, чем кости, менее нагруженные. При недостатке в пище ребенка витамина D в костях плохо откладываются соли извести, сроки окостенения нарушаются, а недостаток витамина А может привести к утолщению костей, запустению каналов в костной ткани.

Процессы, которым подвергается кость, включают развитие, укрепление и резорбцию. Они имеют собирательное название - ремоделирование, или реконструкция. Полный цикл ремоделирования (замены всех структур) костей конечности взрослого человека составляет около 10-20 лет.

Ремоделирование представляет собой равновесие между абсорбцией кости (остеокластами) и её образованием (остеобластами). Оно постоянно изменяется и зависит от таких факторов, как физическая активность, возраст и заболевания.

Физические нагрузки являются основным фактором, определяющим увеличение костной массы у людей. Среди компонентов нагрузки, способствующих увеличению плотности минералов кости, основным является величина отягощения. Конроем (1996) экспериментально установлено, что адаптация костной массы юных штангистов на 30-50% (в зависимости от анатомического участка и индивидуальных особенностей спортсмена) зависит от силы, развиваемой при выполнении упражнений.

Montoye et al., (1980) обнаружены различия в минеральном составе, плотности и массе костей доминирующих конечностей по сравнению с не доминирующими. Проявляется это в том, что кости доминирующих конечностей, имеют большую массу, ширину и плотность минералов. В целом следует отметить, что повышение уровня плотностей костей отмечается в тех участках скелета, которые подвергаются наиболее интенсивным механическим воздействиям.

Плотность костей в значительной мере определяется квалификацией спортсменов, спецификой тренировочной и соревновательной деятельности в различных видах спорта. У спортсменов высокого класса отмечается повышенная плотность костей по сравнению со спортсменами низкой квалификации и особенно лицами, не занимающимися спортом. Представители скоростно-силовых видов спорта, вольной и греко-римской борьбы имеют достоверно более высокие показатели плотности костей по сравнению со спортсменами, специализирующимися в циклических, игровых и сложнокоординационных видах спорта.

По данным Michel et al., (1989) на снижение плотности костей приводят большие объёмы работы на выносливость. Особенно низкая плотность костей отмечается у пловцов на длинные дистанции, что обусловлено не только большим объёмом работы аэробного характера, спецификой отбора пловцов, способных показать высокие результаты на стайерских дистанциях, но и спецификой водной среды, резко снижающей нагрузки на опорно-двигательный аппарат.

С другой стороны, главная проблема, с которой сталкиваются космонавты во время продолжительного пребывания в космосе, - потеря костной ткани (Zernicke, Vailis, Salem, 1990). Условия гипогравитации приводят к деминерализации костей, чрезмерной потере солей скелетом (Anderson, Cohn, 1985; Morey, 1979). В результате этого кости становятся менее прочными и во время значительной физической нагрузки (например, во время выполнения работ вне космического корабля) могут ломаться. Кроме того, при возвращении на Землю затрудняется процесс восстановления костей. Вследствие этого становится особо актуальной разработка программ физических упражнений, которые позволили бы свести к минимуму потери костной ткани у космонавтов.

Кости как органы представлены у человека в виде единой функциональной системы, относящейся к пассивному двигательному аппарату. По форме и виду соединений костей можно представить объем движений и тем самым судить о функциональных особенностях аппарата движений.

Поступила в редакцию 28.05.2002г.

  На главную    В библиотеку    Обсудить в форуме 

При любом использовании данного материала ссылка на первоисточник обязательна!