Костная система
Опорная структура человеческого тела – это чудо сложного инженерного искусства природы, она предназначена для того, чтобы дать человеку максимум силы и подвижности. Каждая кость имеет особую форму, потому что играет вполне конкретную роль. В тех частях костной системы (скелета), где требуется больше гибкости, хрящи имеют большее значение, чем кости, но что делает скелет действительно прекрасно сочлененным механизмом, так это суставы и связки.
Кости
Около 206 костей составляют скелет взрослого человека. Кости имеют твердый, толстый и прочный внешний слой и мягкую сердцевину, или костный мозг. Они прочны и крепки, как бетон, и могут выдержать очень большой вес, не сгибаясь при этом, не ломаясь и не разрушаясь. Соединенные вместе суставами и движимые мышцами, которые к ним прикреплены с обоих концов, кости образуют защитный остов для мягких и уязвимых частей тела, обеспечивая одновременно телу человека большую гибкость движений. В дополнение к этому скелет представляет собой каркас, или леса, на которых прикреплены и держатся другие части тела.
Как все в теле человека, кости состоят из клеток. Это клетки, которые создают каркас волокнистой (фиброзной) ткани, относительно мягкой и пластичной основы. Внутри этого каркаса имеется сеть более твердого материала, что в результате напоминает бетон с «камнями» (то есть твердым материалом), придающими прочность «цементной» основе из волокнистой ткани. В результате образуется необычайно прочная структура с большой степенью гибкости.
14 лицевых костей защищают уязвимые органы чувств головы – хрупкий механизм глаза и обонятельные и слуховые рецепторы. Кости создают также устойчивую основу для лицевых мускулов, с помощью которых человек может жевать, говорить и выражать эмоции.
Рост костей
Когда кости начинают расти, они состоят из сплошной массы. Только на вторичной стадии они начинают образовывать внутри себя полые пространства. Образование пустот внутри костной трубки совсем незначительно влияет на ее прочность, зато очень уменьшает ее вес. Это основной закон строительной техники, который в полной мере использовала природа при создании костей. Полые пространства заполняют костный мозг, в котором происходит образование клеток крови. Может показаться удивительным, но новорожденный ребенок имеет больше костей в своем теле, чем взрослый человек. При рождении около 350 костей образуют основу скелета ребенка; с годами некоторые из них объединяются в более крупные кости. Череп грудного ребенка является хорошим примером этому: во время родов он сдавливается, чтобы пройти через узкий канал. Если бы череп ребенка был сплошь жестким, как у взрослого, он бы просто сделал невозможным прохождение ребенка через тазовое отверстие тела матери. Роднички в разных секциях черепа делают возможным придать ему нужную форму при прохождении через родовой канал. После рождения эти роднички постепенно закрываются.
Скелет ребенка состоит не только из костей, но также из хрящей, которые гораздо гибче первых. По мере роста тела они постепенно затвердевают, превращаясь в кости – этот процесс называют окостенением (оссификацией), который продолжается и в организме взрослого человека. Рост тела происходит за счет увеличения в длину костей рук, ног и спины. Длинные (трубчатые) кости конечностей имеют на каждом конце пластинку роста, где и происходит рост. Эта пластинка роста представляет собой скорее хрящ, чем кость, и поэтому ее не видно на рентгеновском снимке. Когда пластинка роста окостеневает, кость больше не растет в длину. Пластинки роста в различных костях тела образуют как бы мягкую связь в определенном порядке. Примерно в возрасте 20 лет тело человека обретает вполне развитый скелет.
По мере развития скелета его пропорции значительно изменяются. Голова шестинедельного зародыша имеет такую же длину, как и его туловище; при родах голова еще достаточно большая по сравнению с другими частями тела, но срединная точка переместилась от подбородка ребенка к пупку. У взрослого человека срединная линия тела проходит через лонное сочленение (лобковый симфиз) или сразу над половыми органами.
В целом женский скелет легче и меньше мужского. Таз женщины пропорционально шире, что необходимо для растущего плода во время беременности. Плечи мужчины шире, и грудная клетка длиннее, но, вопреки расхожему мнению, мужчины и женщины имеют одинаковое число ребер. Важной и замечательной особенностью костей является их способность в процессе роста обретать определенную форму. Это очень важно для длинных костей, которые служат опорой конечностей. Они шире у концов, чем посередине, что обеспечивает дополнительную прочность суставу, где это особенно нужно. Такое образование формы, известное как моделирование, идет особенно интенсивно при росте костей; продолжается оно и все последующее время.
Различные формы и размеры костей
Имеется несколько различных типов костей, каждый из которых имеет определенную конфигурацию в зависимости от функции. Длинные трубчатые кости, образующие конечности тела, представляют собой просто цилиндры из твердой кости с мягким губчатым костным мозгом внутри. Короткие трубчатые кости, например, кости кисти руки и кости лодыжки имеют в основе ту же конфигурацию, что и длинные (трубчатые) кости, но они более короткие и толстые для того, чтобы совершать множество разных движений без потери сил, не уставая.
Плоские кости образуют как бы сэндвич из твердых костей с пористой (губчатой) прослойкой между ними. Они плоские, так как обеспечивают защиту (как, например, череп) или предоставляют особенно большую поверхность, к которой крепятся некоторые мышцы (например, лопатки). И, наконец, последний тип кости – смешанные кости – имеет несколько конфигураций в зависимости от конкретной функции. Кости позвоночника, например, имеют форму коробочек, чтобы дать большую силу (прочность) и пространство для спинного мозга внутри них. А кости лица, которые создают структуру лица – полые, с воздушными полостями внутри, для создания сверхлегкости их веса.
Хрящи
Хрящи – гладкая, прочная, но гибкая часть костной системы человека. У взрослого они находятся главным образом в суставах и в покрытии концов костей, а также в других важных точках скелета, где требуется прочность, гладкость и гибкость. Структура хрящей не везде одинакова в разных частях скелета. Она зависит от конкретной функции, которую тот или иной хрящ выполняет. Все хрящи состоят из основы, или матрицы, в которой помещены клетки и волокна, состоящие из белков коллагена и эластина. Консистенция волокон разная в разных типах хрящей, но все хрящи похожи тем, что не содержат в себе кровеносных сосудов. Вместо этого они питаются питательными веществами, которые проникают через покрытие (перихондрий, или надхрящницу) хряща, и смазываются синовиальной жидкостью, которая вырабатывается выстилающими суставы оболочками.
По своим физическим качествам различные типы хрящей известны под названием гиалиновые хрящи, волокнистые хрящи и эластические хрящи.
Поддерживающие структуры гортани, где помещаются голосовые связки, состоят из хряща. Надгортанник состоит из эластического хряща, но другие три части – адамово яблоко, перстневидный хрящ и черпаловидный хрящ – это гиалиновые хрящи. Голосовые связки – это тонкие эластические волокна.
Гиалиновые хрящи
Гиалиновые хрящи (первый тип хрящей) представляют собой голубовато-белую полупрозрачную ткань и из всех трех типов хрящей имеют наименьшее количество клеток и волокон. Все имеющиеся здесь волокна состоят из коллагена.
Этот тип хрящей образует скелет эмбриона и способен на большой рост, что позволяет вырасти ребенку ростом 45 см до взрослого мужчины ростом 1,8 м. После завершения роста гиалиновые хрящи остаются как очень тонкий слой (1-2 мм) на концах костей, которые они выстилают, в суставах.
Гиалиновые хрящи часто встречаются в дыхательном тракте, где формируют кончик носа, а также жесткие, но гибкие кольца, окружающие трахею и большие трубки (бронхи), ведущие к легким. Па концах ребер гиалиновый хрящ образует соединительные звенья (реберные хрящи) между ребрами и грудиной, которые позволяют груди расширяться и сжиматься в процессе дыхания.
В гортани, или голосовой коробке, гиалиновые хрящи не только служат опорой, но и участвуют в создании голоса. По мере движения они контролируют объем воздуха, проходящего через гортань, и как результат этого издается звук определенной высоты.
Клетки гиалинового хряща в пластинке роста умножаются, двигаются вниз по кости и образуют обызвествленную основу (матрицу). Клетки умирают, оставляя пространства. Остеобластические клетки образуют кость, которая заполняет пространства и заменяет собой матрицу.
Волокнистые хрящи
Волокнистые хрящи (второй тип хрящей) состоят из многочисленных пучков плотного вещества коллагена, которые придают хрящу, с одной стороны, упругость, а с другой способность выносить значительное давление. Оба эти качества необходимы в тех участках, где находится больше всего волокнистых хрящей, а именно между костями позвоночного столба.
В позвоночпике каждая кость, или позвонок, отделена от своего соседа диском из волокнистого хряща. Межпозвоночные диски защищают позвоночник от сотрясения и позволяют скелету держаться прямо.
Каждый диск имеет внешнее покрытие из волокнистого хряща, который окружает густую сироповидную жидкость. Хрящевая часть диска, которая имеет хорошо смазанную поверхность, предотвращает изнашивание костей во время движения, а жидкость играет роль природного противоударного механизма.
Волокнистые хрящи служат прочным соединительным материалом между костями и связками; в тазовом поясе они соединяют две части таза вместе в суставе, известном под названием лобковый симфиз. У женщин этот хрящ имеет особо важное значение, так как он смягчается гормонами беременности для того, чтобы позволить головке ребенка пройти наружу во время родов.
Эластические хрящи
Эластические хрящи (третий тип хрящей) получили свое название из-за присутствия в них волокон эластина, но содержится в их составе также и коллаген. Волокна эластина придают эластическому хрящу отличительную желтую окраску. Прочный, но упругий, эластический хрящ образует лоскут ткани, называемый надгортанником; он закрывает доступ воздуху, когда пища проглатывается.
Эластический хрящ образует также упругую часть наружного уха и поддерживает стенки канала, ведущего к среднему уху и евстахиевым трубам, которые соединяют каждое ухо с задней стенкой горла. Вместе с гиалиновым хрящем эластический хрящ также участвует в образовании опорных и голосопроизводя-щих частей гортани.
Строение скелета
Каждая из различных костей скелета сконструирована для совершения определенных действий. Череп защищает мозг, а также глаза и уши. Из 29 костей черепа 14 формируют основной каркас для глаз, носа, скул, верхней и нижней челюсти. Одного взгляда на черен достаточно, чтобы понять, как уязвимые части лица защищены этими костями. Глубокие глазные впадины с нависающим над ними лбом охраняют сложные и тонкие глазные механизмы. Подобным же образом запахоопределяющие части обонятельного аппарата запрятаны высоко позади центрального носового отверстия в верхней челюсти.
Поражает в черепе размер нижней челюсти. Подвешенная на шарнирах, она образует идеальный дробящий инструмент в момент контакта через посредство зубов с верхней челюстью. Лицевые ткани – мышцы, нервы и кожа – покрывают лицевые кости так, что незаметно, как умело сконструированы челюсти. Другим примером первоклассного дизайна является соотношение положения лицевой части к черепу: лицевая часть вокруг глаз и носа прочнее, и это не позволяет лицевым костям вдавливаться в череп или, наоборот, слишком выдаваться.
Позвоночник состоит из цепи мелких костей, называемых позвонками, и образует центральную ось скелета. Он обладает огромной силой и прочпостью и, так как стержень не сплошной, а состоит из мелких отдельных секций, очень гибок. Это позволяет человеку наклоняться, касаться пальцами носков и держаться прямо. Позвонки также защищают нежную ткань спинного мозга, который проходит посередине внутри позвоночника. Нижний конец позвоночника называется копчиком. У некоторых животных, таких как собака и кошка, копчик гораздо длиннее и образует хвост.
Позвоночник состоит из цепи мелких костей, называемых позвонками, расклассифицированных согласно их положению в теле. Позвонки, показанные на нижнем рисунке, расположены в поясничном отделе (пояснице). Каждый позвонок лежит на позвоночном диске, который несколько похож на маленький пузырек, заполненный желе.
Грудная клетка состоит по бокам из ребер, позвоночного столба сзади и грудины спереди. Ребра крепятся к позвоночнику специальными суставами, которые позволяют им двигаться во время дыхания. Спереди они крепятся к грудине реберными хрящами. Два нижних ребра (11-е и 12-е) крепятся только сзади и слишком коротки для соединения с грудиной. Они называются колеблющимися ребрами и имеют лишь некоторое отношение к дыханию. Первое ребро и второе тесно соединены с ключицей и образуют основание шеи, где несколько больших нервов и кровеносных сосудов проходят к рукам. Реберная клетка предназначена для защиты сердца и легких, которые в ней заключены, так как повреждение этих органов может угрожать жизни.
Грудная (реберная) клетка защищает некоторые жизненно важные органы тела, включая легкие, сердце, печень и желудок. Реберный хрящ позволяет грудной клетке расширяться и сжиматься во время дыхания: ребра, состоящие целиком из кости, не были бы гибкими. Когда телу нужен дополнительный кислород, например, при тяжелой физической работе, внешние межреберные мышцы сокращаются, увеличивая окружность груди и толкая грудину вперед. Человек выдыхает, расслабляя эти мышцы. Для увеличения выдоха внутренние межреберные мышцы сокращаются, опуская ребра вниз и уменьшая объем грудной клетки.
Конечности и таз
Верхние конечности (руки) прикрепляются к центральной оси позвоночника при помощи плечевого пояса, который состоит из лопатки и ключицы. Большая кость плеча называется плечевой костью и присоединяется в локте к двум костям предплечья: лучевой кости и локтевой кости. Кисть руки состоит из большого числа мелких костей. Это позволяет человеку брать предметы и выполнять сложные движения, при которых каждая из частей кисти движется по-разному, но очень скоординированно.
Кости руки состоят из плечевой кости плеча, лучевой кости и локтевой кости предплечья Локоть, который соединяет вместе предплечье и плечо, является сложным суставом: шарнирный (блоковидный) сустав соединяет плечо и локтевую кость, а шаровидный сустав соединяет плечо и лучевую кость.
Кисть руки имеет 14 фаланг пальцев (костей пальцев руки, а если говорить о ступне — костей пальцев ступни). Три фаланги находятся в каждом пальце, кроме большого, где их две. Движение этих костей обеспечивается суставами и мышцами.
Запястье состоит не менее чем из восьми отдельных костей, называемых костями запястья расположенных в два ряда. Кости запястья расположены между пястными костями и лучевыми и локтевыми костями предплечья. Единственная из костей запястья, видимая под кожей, это гороховидная кость запястья, которая выступает бугром на запястье.
Ноги крепятся к позвоночнику посредством таза, который состоит из группы сверхпрочных костей. Задняя часть таза — крестец. С двух сторон к крестцу крепятся массивные подвздошные кости, закругленные верхи которых хорошо прощупываются на теле. Вертикальные крестцово-подвздошные суставы между крестцом и подвздошной костью уплотнены волокнами и переплетены крест-накрест рядом связок. К тому же поверхность костей таза имеет небольшие надрезки, и кости складываются друг с другом наподобие свободно соединяющихся ажурных пил, что придает дополнительную устойчивость всей конструкции.
Около двух третей спускающейся вниз плоскости каждой подвздошной кости занимает глубокая впадина, называемая вертлулсной впадиной, которая имеет конфигурацию такой формы, что вмещает шар конца бедренной кости — самой длинной кости тела. Под этой впадиной тазовая кость выгибается вперед к передней части тела. Эта часть таза называется лобковой (лонной) костью, которая имеет дополнение в виде петлеобразной седалищной кости, создающей основу для ягодиц. В передней части тела две лобковые кости соединяются в лобковом симфизе (лонном сочленении). Их соединение амортизирует хрящевой или лобковый диск. Сустав окутывает множество связок; связки отходят к подвздошной кости, чтобы придать тазу устойчивость.
В нижней части ноги проходят большеберцовая кость и более тонкая — малоберцовая кость. Ступня, как и кисть руки, состоит из сложной системы мелких костей. Это дает человеку возможность твердо и свободно стоять, а также ходить и бегать без падений.
Кости ноги являются самыми длинными и самыми тяжелыми в теле человека. Бедренная кость входит в вертлужную впадину подвздошной кости тазового пояса. Вертлужная впадина держит кости ног на достаточном расстоянии от срединной линии тела для обеспечения нужного равновесия и нормальной ходьбы.
Своей гибкостью стопа человека обязана своей сложной анатомии Для того чтобы выдержать вес человека, кости пальцев стопы шире и более плоские, чем кости пальцев руки, и ногтевые полости иной формы для лучшего поддержания равновесия тела.
Суставы и связки
Кости скелета соединяются между собой суставами. Кости должны быть надежно и прочно соединены между собой, в то же время они должны иметь большую свободу движения по отношению друг к другу. Именно суставы дают нам возможность полноты движений и делают скелет прекрасно сочлененным механизмом. Суставы делятся на два основных типа: мобильные, или синовиальные, и неподвижные, или волокнистые. Синовиальные суставы позволяют совершать большое количество движений и выстланы скользкой оболочкой, называемой синовиальной оболочкой. Движение волокнистого сустава ограничено волокнистой тканью. Помимо этих двух типов суставов есть еще суставы, образованные между костью и хрящем. Поскольку хрящ очень гибок, он позволяет делать много движений без помощи синовиальной оболочки. Примером таких хрящевых суставов могут служить суставы между ребрами и грудиной.
Синовиальные суставы
Синовиальные суставы могут подразделяться в свою очередь в зависимости от вида движений. Шарнирный сустав, такой как находящийся в локте и колене, позволяет совершать сгибательные и выпрямляющие движения; плоский (тугоподвижный) сустав позволяет делать скользящие движения во все стороны, потому что поверхность костей плоская или слегка выгнутая. Плоские суставы находятся в позвонках, запястье и предплюсневых костях стопы. Цилиндрические суставы шеи у основания черепа и в локте между плечевой костью и локтевой представляют собой особый тип шарнирного сустава, который вращается вокруг стержня. Цилиндрический сустав шеи позволяет голове поворачиваться, а в локте позволяет вертеться и поворачиваться предплечью, чтобы совершить такое движение, как поворот ручки двери или отвертки. Суставы, которые могут двигаться в разных направлениях, такие как тазобедренный и плечевой, называются шаровидными суставами.
Суставы в пальцах руки — типичные примеры шарнирных синовиальных суставов. Концы костей покрыты прочным эластичным материалом, называемым сочлененным (суставным) хрящем. Весь сустав заключен в необычайно прочную оболочку плотного хряща, называемую суставной капсулой. Это держит сустав на месте и предотвращает движения, которые могут причинить вред.
Выстилает сустав внутри, но не в сочлененном (суставном) хряще, синовиальная оболочка. Это слой очень тонкой ткани, выделяющей жидкость, которая смазывает сустав и предохраняет его от высыхания. Она не всегда обязательна для нормального функционирования сустава, и при некоторых условиях, когда синовиальная оболочка поражается, например, ревматоидным артритом, этот слой можно удалить без вреда для сустава. Здоровая синовиальная оболочка помогает суставу не изнашиваться.
Кисть руки содержит множество синовиальных суставов, и можно увидеть, как в некоторых тяжелых случаях ревматоидного артрита разрушение больного сустава может привести к уродливым деформациям пальцев запястья.
Коленный сустав
Коленный сустав представляет собой гораздо более сложный шарнирный сустав. Конец бедренной кости гладко закруглен и удобно покоится в блюдцеобразной верхушке большеберцовой кости. Поверхность костей покрыта хрящем.
Для того чтобы еще больше стабилизировать сустав, оставляя его в то же время гибким в движении, имеются два хрящевых клапана в суставном пространстве на каждой стороне колена. Это те два куска хряща, которые рвутся при спортивных травмах и удаляются при операции колена. Без них колено продолжает функционировать, но износ его увеличивается, и это может привести позднее к артриту.
Для смазки сустава его поверхности омываются синовиальной жидкостью. Имеются также дополнительные мешки этой жидкости, называемые синовиальными сумками, которые расположены в суставе и срабатывают как защитные валики при ударах.
Прочность и устойчивость обеспечивается волокнистыми полосами, называемыми связками. Не мешая движениям колена, эти связки располагаются по обеим сторонам сустава и внутри него и придают тем самым устойчивость всему механизму.
Движения коленного сустава осуществляются мышцами бедра. Передние мышцы тянут колено вперед, задние — движут назад. Наверху эти мышцы прикрепляются к бедру и верхней части бедренной кости. Вниз но ноге они собираются в волокнистые сухожилия, которые пересекают колено и прикрепляются к большеберцовой кости.
Для того чтобы сухожилие не терлось спереди о сустав во время движения, в это сухожилие встроена кость. Эта кость и есть коленная чашечка, или надколенник, которая расположена внутри сухожилия и не прикреплена к остальным частям колена. Она движется вверх и вниз в нижней части бедренной кости в хрящевом желобе и смазывается синовиальной жидкостью. Имеются также еще две синовиальные сумки, которые выступают в роли противоударных устройств коленной чашечки.
Колено особенно важно для передвижения человека. При каждом шаге оно сгибается, чтобы дать возможность ноге шагнуть вперед без удара о землю — иначе нога выносилась бы вперед посредством поднятия бедра, как это бывает заметно в походке человека с больной ногой. Шагнув вперед, человек выпрямляет колено, и нога его ступает на землю при помощи бедра.
Вид спереди (слева) показывает кости, связки и хрящи коленного сустава. Разрез (справа) показывает строение в деталях, включая синовиальные сумки (сумки с жидкостью) и синовиальную оболочку.