Тело человека: строение и функции

Такое продолжение пяточной кости назад кажется попыткой сделать опору человека на две ноги более устойчивой. Любой предмет, опирающийся на две узкие опоры, в лучшем случае находится в неустойчивом равновесии, и любое сотрясение опрокинет его. В результате вытягивания пятки назад опора усиливается и даже приходится на четыре точки. Человек стоит не на двух ступнях, а на двух подошвах и двух пятках. Это не слишком большой шаг в направлении устойчивости, но он отвечает поставленной цели. Осторожный взрослый человек может иногда годами ходить не падая.

Остальные шесть костей предплюсны — это таранная, кубовидная, ладьевидная, а также первая, вторая и третья клиновидные кости. Пяточная и таранная кости имеют форму неровного куба, такой же формы и кубовидная. Солдаты Древнего Рима пользовались такими костями (обычно лошадиными) для игры в сделанные на скорую руку «кости». По этой причине таранная кость в особенности иногда называется астрагалом — astragalus, что по-латыни значит «умереть».

Точно так же, как рука состоит из пястных костей и фаланг, стопа состоит из пяти параллельных костей плюсны плюс пять наборов фаланг. Как на руке, первый палец — большой палец стопы, или, по-латыни, hallux — имеет две фаланги, другие пальцы — три.

Стопа — одна из наиболее специализированных частей человеческого скелета. Она получила пятку и утратила характерные черты руки, присущие стопам наших древних предков.

У сохранившихся до наших дней человекообразных обезьян и мартышек задние лапы очень похожи на передние (руки). У этих животных большие пальцы расположены почти под прямым углом к другим и довольно сильно отделены от остальных пальцев, так что стопу можно использовать для хватания. Поэтому человекообразных обезьян и мартышек иногда называют четверорукими.

У человека большой палец стопы в качестве признака совершенно другой специализации расположен параллельно другим пальцам, а не противопоставлен им. Фаланги других пальцев сократились почти до минимума, и стопа стала почти одним целым. У человека каждая пара конечностей имеет свою функцию: руки предназначены для хватания, а ноги для опоры, в то время как у других приматов все конечности взаимозаменяемые.

Использование только двух конечностей в качестве опоры влияет на нас по-другому. Большинство млекопитающих сократили функцию опоры конечностей, «поднявшись на цыпочки», таким образом добавив длину плюсны к своему росту. Такие существа называются пальцеходящие, и самым известным примером могут служить кошки и собаки. Дополнительный рост, как мы уже говорили, обеспечивает лучшее расположение органов чувств, а также большую скорость передвижения, но уравновешивается гораздо меньшей площадью стопы, касающейся земли, и, следовательно, увеличением нагрузки на стопу. Очевидно, в этом случае преимущества перевешивают недостатки.

Копытные животные пошли еще дальше и поднялись на все фаланги, кроме дистальной. Эти животные добавили две фаланги к росту, и все закончилось тем, что они фактически ходят на цыпочках. Это хорошо, если имеются четыре широко расставленные опоры. Человек, имеющий всего две опоры, не может позволить себе такой роскоши. Он должен широко расставлять ноги и крепко опираться на землю фалангами и плюсной. Если ему нужно увеличить рост, он должен делать это только за счет удлинения костей бедра и голени. Он — стопоходящий.

Имеются также и другие стопоходящие животные, а именно медведь, который умеет принимать вертикальное положение лучше, чем большинство четвероногих. Человек превосходит медведя (а также других стопоходящих млекопитающих), используя пяточную кость, он ходит частично на голеностопном суставе.

Подошва человеческой стопы не прямая по той же самой причине, что и позвоночный столб четвероногого животного. Для прочности конструкции нам нужен изгиб — свод, и он имеется у нас на подошве. Таким образом, масса перемещается с пятки на подъем свода стопы, и к тому же толчки при хождении поглощаются из-за эластичности, когда масса постоянно перемещается с одной ноги на другую. (Эта особенность присуща человеческой стопе, у человекообразных обезьян нет свода стопы.) Но и в этом случае приспособленность к прямохождению не без изъянов. Структуры, образующие свод стопы, могут не выдерживать массы и расплющиваться. Плоскостопие, которое возникает в результате этого, снижает эффективность ходьбы и может даже вызывать болезненные ощущения при длительной ходьбе, поскольку следующие один за другим толчки, относительно непогашенные, передаются в позвоночный столб и в череп.

Клетки

До сих пор я описывал внешний вид костей и расположение каждой в организме. Это дает довольно статичное представление о костях как о костном каркасе, и ничего более. Определенно, твердый минерал составляет 45 процентов массы кости, и эта часть ее мертвая, но при жизни кость — это больше чем просто составляющий ее минерал и все, что угодно, только не инертное вещество. Внутри ее минерального остова, а также внутри хрящевой структуры есть живые клетки.

Клетка — единица живой ткани. Она получила такое название в 1665 году, когда англичанин Роберт Гук, один из первых ученых, использовавших микроскоп, заметил, что в тонком слое пробки можно увидеть губчатую структуру, которая содержит крошечные, продолговатые, расположенные в определенном порядке отверстия. Название «клетка» в значении «небольшое помещение» показалось идеальным для тех отверстий. Греческий эквивалент этого слова — «kytos», и он очень часто используется в таких сложных словах, как «цитология», что значит «изучение клетки».

Однако отверстия, которые наблюдал Гук, были не чем иным, как мертвыми останками скелета дерева. В живой ткани есть такая же губчатая структура, только клетки не бывают пустыми. Они заполнены желатиноподобным веществом, которое в начале XIX века получило название протоплазма (что по-гречески означает «первая форма»).

Клетки довольно сложны по своему строению, но для целей данной книги будет вполне достаточно лишь самого простого описания. Во-первых, клетки маленькие по размеру. Самая большая клетка человеческого организма — яйцеклетка, выделяемая женским организмом, — размером почти с булавочную головку и видима невооруженным глазом. Другие клетки гораздо меньше, и их можно рассмотреть только под микроскопом.

Каждая клетка имеет тонкую и хрупкую клеточную оболочку (или мембрану). Оболочка отграничивает внутреннюю часть клетки от внешнего окружения; и химическая и физическая структуры областей по обе стороны оболочки совершенно разные. Существует естественная тенденция конструкции и состава поддерживать равновесие через мембрану, но жизненно важная функция состоит в том, чтобы поддерживать разницу, несмотря на такую тенденцию к уравновешиванию.

Толщина оболочки всего около 10 миллимикрометров, и состоит она только из нескольких слоев сложных молекул. Тем не менее она каким-то образом служит для избирательного и одностороннего прохода определенных веществ из окружающей среды внутрь и для других веществ — изнутри в окружающую среду. Механизм, посредством которого это все происходит, до сих пор мало изучен.

Внутри оболочки клетка разделена на две основные части. Небольшая центральная часть называется ядро (по-латыни «nucleus», что значит «орешек», потому что оно похоже на небольшой орех внутри скорлупы, большей по размеру) и окружено собственной ядерной мембраной. Ядро контролирует клеточное деление и содержит механизм, который в конечном счете определяет природу клеточного химического механизма. Между ядром и клеточной оболочкой находится цитоплазма, которая выполняет рутинную работу клетки.

Клетка достаточно сложна, чтобы служить не только элементом живой ткани, но и отдельным организмом. Есть много видов одноклеточных организмов. Тем не менее все растения и животные, которых мы видим невооруженным глазом, состоят из множества клеток. Человеческий организм содержит более 50 триллионов клеток. В многоклеточном организме клетки подразделяются на специализированные группы, каждая из которых выполняет определенную функцию с соответствующей эффективностью, иногда за исключением адекватного выполнения других функций, столь же жизненно необходимых. Это означает, что отдельная клетка многоклеточного организма не может поддерживать свою жизнь независимо от других, а существует только как часть сложной группы, где другие клетки восполняют ее недостатки и где бесперебойно работающая структура объединяет и контролирует все группы, специализирующиеся на какой-то одной функции. (На ум приходит аналогия с современным обществом, которое составляет множество высокоспециализированных человеческих существ, которые быстро умрут с голоду, если их высадить по отдельности на необитаемый остров, но которые прекрасно существуют в рамках одной социальной структуры.)

Определенная ткань состоит из множества клеток, выполняющих единую функцию. Это клетки, которые специализируются в образовании различных субстанций, тем или иным образом поддерживающих структуру тела как единое целое, и составляют соединительную ткань. Специализированная функция клеток соединительной ткани заключается в образовании вокруг себя тех самых молекул, что составляют кости, хрящи и другие элементы, соединяющие остов тела.

Многие из молекул, образованных таким образом, являются органическими по своей природе, то есть состоящими в основном из частиц углерода, водорода, кислорода и азота, которые входят в состав большей части всех живых тканей. Такие молекулы противопоставлены тем, что лишены углерода (ключевого элемента жизни) и похожи по своим свойствам на вещества, из которых состоят неживой воздух, море и скалы вокруг него. Эти последние соединения, естественно, называются неорганическими. Несмотря на такое название организм может использовать и действительно использует неорганические вещества. Вода — вещество неорганическое — и фосфорнокислый кальций представляют собой основную долю костной структуры.

Органические вещества соединительной ткани подразделяются на два класса: белки (протеины) и мукополисахариды. Белки — это особенно сложные молекулы, построенные из длинных цепочек несколько меньших молекул, называемых аминокислотами. Одна белковая молекула содержит тысячи, иногда даже миллионы атомов, расположенных спиральными витками, напоминающими миниатюрные винтовые лестницы. На важность белков для жизни указывает тот факт, что слово «протеин» происходит от греческого термина, обозначающего предмет первой необходимости. В соединительной ткани белковые молекулы имеют вид пучков спиралей, то есть крошечных волокон, которые переплетаются, образуя крепкую волокнистую структуру, достаточно эластичную, если спирали располагаются надлежащим образом. Клетки, образующие эту волокнистую соединительную ткань, называются фибробластами (что по-гречески значит «волокнистая почка»). Два основных белка, существующие в соединительной ткани, — это коллаген (что по-гречески значит «производитель клея», потому что из него получается клей при продолжительном процессе варки) и эластин (названный так из-за своей эластичности).

Фибробласт

Мукополисахариды — тоже большие молекулы, но состоят из ряда единиц — производных простых сахаров. Часть их названия «поли» произошла от греческого слова, означающего «много», то есть много сахаров. Раствор мукополисахарида клейкий, вязкий и липкий, и префикс «mucus» означает «слизь». Слизь, секретируемая многими частями тела, обладает такими свойствами, потому что является раствором мукополисахарида.

Особенным мукополисахаридом является гиалуроновая кислота, которая встречается почти повсеместно между клетками и помогает им удерживаться вместе. По этой причине ее иногда называют основной субстанцией, или межклеточным цементом. Еще одной молекулой этого типа, содержащей, помимо обычных, несколько атомов серы, является хондроитинсульфат. Хрящи богаты мукополисахаридами, и от греческого слова «хрящ» («chondros») произошло название хондроитинсульфат.

Хрящи состоят из относительно больших овальных клеток, называемых хондроциты (что по-гречески значит «хрящевые клетки»), которые в основном образуют коллаген и хондроитинсульфат и откладывают эти вещества вне клетки. Хондроциты, таким образом, отделяются друг от друга хрящом, который они образуют, хотя и имеют тенденцию оставаться в группе. Хотя хрящи между клетками не живые, сами клетки — живые.

Самый часто встречающийся тип хрящей — это гиалиновый (по-гречески «стеклянный») хрящ, потому что на вид он чистый и полупрозрачный. (Наличие гиалуроновой кислоты в таком хряще и дало название этому мукополисахариду.) Именно из гиалинового хряща вначале и образуется скелет, а некоторая его часть остается до старости, например реберные хрящи, соединяющие ребра и грудину.

Существуют также эластичные хрящи, цвет которых желтый (как эластичность, так и желтизна обязаны своим существованием наличию эластина). Такие хрящи встречаются, к примеру, в ухе.

Наконец, есть еще волокнистая хрящевая ткань, или волокнистый хрящ, в котором молекулы связываются вместе, образуя скорее плотную волокнистую субстанцию, чем мягкую эластичную. Именно из волокнистого хряща состоят межпозвоночные диски, и именно он соединяет две тазовые кости в месте лонного сочленения.

Структура костей

Несмотря на то что кости скелета выглядят твердыми и сухими, важно помнить, что при жизни около 25 процентов массы кости составляет вода, а еще 30 процентов — органический материал. Органическое вещество — это почти полностью коллаген, хотя немного мукополисахаридов тоже имеется в наличии.

Подобно хрящам, кости содержат живые клетки, функция которых состоит в выработке соединительного материала. Разница в том, что остеоциты (от греческого «костные клетки») также образуют минеральные вещества, которые затем откладываются в органической структуре, укрепляя ее, придавая ей прочность.

Минеральной составляющей, главным образом, является фосфат кальция, в котором ионы кальция окружены фосфатными и гидроксильными ионами[9]. Эта структура никоим образом не уникальна для живых организмов. Существуют обычные неорганические вещества, которые демонстрируют точно такое же строение. Самый близкий пример — это фтороапатит, который отличается только тем, что содержит ион фторида на месте гидроксильного иона. По этой причине, когда говорят о минеральном составе костей, его иногда называют гидроксиапатитом. Когда кость долго находится в земле, наблюдается медленная тенденция к замене гидроксильного иона на ион фторида, поэтому по содержанию ионов фторида можно иногда судить о возрасте ископаемых костей.

Кости также содержат изрядное количество карбоната кальция, вместе с небольшими количествами соединений магния, натрия и калия. И вдобавок к тому, что являются жестким остовом тела, кости представляют собой хранилище сложного минерала, компоненты которого постоянно доступны организму.

В костях находятся узкие гаверсовы каналы (трубчатые полости, названные в честь английского врача Клоптона Гаверса, который впервые описал их в 1691 году). Именно по этим каналам проходят кровеносные сосуды и нервы. Остеоциты, яйцевидные клетки с множеством неровных отростков, располагаются вокруг канала концентрическими слоями. Гаверсов канал и окружающие его концентрические слои клеток и минеральных веществ называются остеон, а множество остеонов, слившихся вместе, под микроскопом выглядят словно прилегающие стволы деревьев, которые и образуют костное вещество.

Слои минерального вещества могут быть уложены довольно плотно, тогда они образуют компактное вещество кости, но минеральное вещество может быть уложено и в виде множества отдельных перекладин костного вещества, образуя пористую решетку, называемую губчатым веществом кости.

Длинные кости конечностей имеют обе формы костного вещества. Поверхность, расположенная дальше от центра, — это компактный слой кости; внутри находится губчатое вещество. Такие кости легче, чем если бы они состояли исключительно из компактного слоя, хотя их прочность не меньше.

Полый цилиндр на удивление прочен. Лист обычной писчей бумаги, свободно свернутый и скрепленный надетой на него круглой резинкой, может удержать тяжелый учебник. Помимо того, костные перекладины и пластинки внутри губчатого вещества выполняют функцию силовых опор, расположенных вдоль линий сжатия и натяжения, вызываемых движениями тела.

Пустота человеческих костей не безоговорочна. Они заполнены мягким жировым веществом, называемым костным мозгом. Костный мозг легче самой кости, а заполненная костным мозгом полая кость легче, чем сплошная, и для нее требуется меньше неорганического материала. Однако в том случае, когда особо необходима легкость, в костях можно действительно обнаружить полости. Слону, к примеру, нужен громадный череп, на котором должны находиться мышцы, необходимые для управления массивным хоботом и поддержания головы, отягощенной как хоботом, так и величественными бивнями. С целью обеспечить поверхность кости, достаточную для расположения мышц, без того, чтобы свести на нет все усилия непомерно большой ее массой, в костях черепа слона предусмотрены пустоты.

Точно так же должны экономить на весе летающие птицы, поэтому их кости полые и хрупкие до такой степени, что выполняют функции поддерживающего остова, очень компактного, не имеющего лишнего пространства. У многих птиц оперение весит больше, чем кости.

Однако и у млекопитающих, и у человека совсем немного пустот в костях. Это тоже имеет свои преимущества, потому что их заполняет костный мозг. Кости периодически перестраиваются вследствие активности остеоцитов двух видов с противоположными функциями: остеобластов ростовых клеток в зонах костеобразования и остеокластов, обеспечивающих их рассасывание. Остеобласт строит кость (другими словами, закладывает ее основу), накладывая слои гидроксиапатита. Остеокласт — это клетка, которая, постепенно растворяя гидроксиапатит, отправляет его в кровоток.

Таким образом, кость растет в диаметре вследствие активности остеокластов, которые растворяют стенки изнутри и расширяют внутреннее отверстие кости, оставляя усиливающие опоры вдоль линий сжатия и натяжения. Тем временем остеобласты добавляют слои гидроксиапатита к внешней поверхности кости. При зарастании перелома кости остеобласты откладывают минеральные вещества, а остеокласты отполировывают грубые края, так сказать, убирают лишнее.

Длинная кость состоит из костной трубки — диафиза — и шишковидных концов — эпифизов. Шишковидный эпифиз подходит к соответствующему месту в прилегающих костях и покрыт хрящом. У детей эпифиз отделяется от костной части диафиза более толстой полоской хряща. Остеобласты в костной части диафиза постоянно вытесняют хрящ в направлении эпифиза, как обычно откладывая гидроксиапатит, и хрящ, постоянно вырастая из самой костной трубки, проталкивает эпифиз вперед. В результате кость удлиняется все больше и больше. Примерно в середине подросткового возраста неотступное наслаивание костной ткани догоняет эпифиз и уничтожает хрящ между слоями. Кости больше не удлиняются, и молодой человек достигает своего взрослого роста. Одна из причин более низкого роста у женщин по сравнению с мужчинами заключается в завершении этого процесса у женщин в более юном возрасте.

Сложное наслоение и перенаслоение минеральных веществ и такое упорное соревнование между костью и хрящом не может быть предоставлено самим костям. Должна быть какая-то центральная сила, управляющая всеми костями таким образом, чтобы рост каждой кости происходил в надлежащей пропорции к остальным, а также к мягким тканям тела. Такой центральный контроль осуществляется частично действием ростового гормона, высвобождающегося в крошечных количествах в кровоток небольшим органом, расположенным сразу под головным мозгом и называемым гипофиз. Ростовой гормон и обеспечивает победу хряща в этой гонке.

Когда происходит сбой выделения ростового гормона, последствия оказываются катастрофическими — быстрое исчезновение хряща и, следовательно, быстрое окостенение, которое может положить конец росту в раннем детстве. Результатом будет цирковой лилипут. В случае когда в большей степени затронуты длинные кости, голова и туловище бывают почти нормального размера, а руки и ноги остаются похожими на обрубки, и результатом будет карлик. Избыток же ростового гормона может повлечь за собой чрезмерное образование хряща, так что молодой человек может вытянуться с необычной скоростью и продолжать расти во взрослом возрасте. В результате получается великан. Известно, что некоторые мужчины-гиганты достигали роста почти 9 футов, а некоторые карлики оставались ростом меньше 2 футов во взрослом возрасте.

Иногда нарушение продукции ростового гормона возникает после того, как процесс окостенения уже завершился. В этом случае дальнейший рост происходит только в тех местах, где остается возможность роста, — на концах конечностей и подбородке. Кисти рук, стопы и челюсть гротескно увеличиваются, и такое состояние известно под названием акромегалия (что по-гречески означает «большие конечности»).

Образование костей также связано с витамином D, официальное название которого кальциферол («несущий кальций») указывает на его функцию. У детей, которые по тем или иным причинам испытывают нехватку витамина D, окостенение костей происходит не должным образом. Они остаются «мягкими» и, следовательно, деформируются при нагрузке, отчего ноги приобретают форму колеса, искривляется позвоночник. Череп может быть мягким и деформированным. Размягчение, или атрофия, костей черепа называется краниотабес. Болезнь называется остеомаляция, или рахит (по-гречески «позвоночник», который в конечном итоге является именно той частью тела, которую рахит поражает чаще всего). Эффект рахита виден из значения прилагательного «рахитичный» — то есть «слабый», «хрупкий». В последнее время, в связи с добавлением витамина D в молоко и хлеб, а также с использованием витаминных пилюль рахит больше не представляет собой угрозы, по крайней мере в развитых странах мира.

Потребность в витамине D у взрослых, когда рост костей прекратился, очень низкая, хотя и не может полностью равняться нулю. Минеральные вещества, которые отлагаются в кости, не остаются там навсегда. Они могут быть использованы организмом в случае необходимости, поэтому должен существовать механизм для того, чтобы их восполнять. Недостаток витамина D может быть одной из причин размягчения костей у взрослых, когда минеральные вещества удаляются из костей и больше не замещаются. Такое состояние чаще обнаруживается у женщин, чем у мужчин, особенно на Востоке. Остеомаляция случается во время беременности или кормления грудью, когда запас кальция в организме матери снижается из-за развивающегося младенца.

Инфекция костного мозга иногда вызывает серьезное заболевание, которое требует хирургического вмешательства, — остеомиелит (что по-гречески означает «воспаление костного мозга»).

Строение зубов

Подобно костям, зубы образуются вокруг центральных каналов, содержащих нервы и кровеносные сосуды, поэтому они тоже неотъемлемые живые частички организма. В каждом зубе есть канал, а также пульпа, которая содержит нерв. Это чувствительная часть зуба, что наглядно иллюстрирует расхожая фраза «задеть нерв».

Вокруг пульпы находится дентин (твердая ткань), который составляет основную массу зуба и содержит больше минеральных веществ, чем кость. Дентин почти на 70 процентов неорганическая соль, в то время как кость — только на 45 процентов. Дентин, следовательно, тверже, чем кость. Обмен веществами, составляющими дентин, с кровотоком составляет всего одну десятую подобного обмена у кости. Слоновая кость, используемая для изготовления бильярдных шаров и белых клавиш рояля, — пример фактически чистого дентина, полученного из бивней слона.

Дентин той части зуба, которая находится ниже линии десен (корень), окружен тонким слоем цементного вещества, которое, судя по названию, служит для закрепления зуба в челюсти. По составу цементное вещество зуба подобно кости.

Строение зуба

Дентин же той части зуба, которая находится над линией десен, покрыт эмалью. В то время как зубной цемент менее минерализован, эмаль содержит гораздо больше минеральных веществ. Действительно, эмаль на 98 процентов неорганическое вещество и почти полностью инертное. Это самая твердая субстанция в организме человека.

Минеральные вещества зубов отличаются от минеральных веществ костей тем, что первые содержат ионы фторида на месте некоторых гидроксильных ионов — при условии, что такие ионы фторида доступны организму. При ближайшем рассмотрении эффекта, вызываемого фтороапатитными структурами, можно сделать вывод, что зуб, очевидно, должен быть менее подвержен гниению, вызываемому бактериями. Но как ни странно, будучи самой твердой и крепкой структурой организма, эмаль единственная подвергается гниению при жизни человека. И все-таки, будучи самой богатой минеральными веществами и, следовательно, наименее живой из всех тканей, эмаль наиболее беззащитна перед нападением бактерий. Гниение зубов называется кариес (по-латыни «гниение»).

Содержание фторидов в зубах представляет изрядную проблему. Пища и вода всегда содержат некоторое количество ионов фторида, но не всегда достаточно. Если это количество слишком мало, скажем, менее одной миллионной, в структуру зуба попадает немного ионов фторида, и гниение преобладает, если не предпринимать героических усилий в уходе за ротовой полостью. Если же количество ионов фторида слишком велико, скажем, более двух миллионных, то на эмали постоянно видны желтые пятна, что не вредно, но не слишком красиво.

Если содержание ионов фторида около одной миллионной, вероятность зубного кариеса снижается на одну треть по сравнению с обычной частотой его возникновения (когда никаких других изменений в гигиене ротовой полости не происходит) без какого-либо заметного ущерба. Этот последний вывод основывается на данных усердных медицинских исследований дантистов.

К несчастью, снижение кариеса может сказаться только на детях, находящихся в том возрасте, когда у них формируются зубы, для чего необходимо усвоение ионов фторида. Взрослые с полностью сформировавшимися зубами больше не усваивают фторид, но, по крайней мере, новому поколению это принесет пользу.

Движение костей

Скелет — это не просто остов тела, это подвижный остов. Поскольку кости сами по себе не гнутся, единственная возможность движения обеспечивается в тех местах, где соединяются две кости. Эти места соединения называются суставами. Их еще можно назвать более красиво «сочленениями». Существование сустава не обязательно подразумевает подвижность. Некоторые кости, такие, как кости черепа и тазовая кость, срастаются, как я объяснял ранее, в единую монолитную структуру без какой бы то ни было возможности движения в местах соединения.

Другие суставы допускают лишь скользящее движение, и не слишком большое. Примеры тому — соединения позвонков и соединения между ребрами и грудными позвонками. Они позволяют выполнять ограниченное движение, необходимое для того, чтобы сгибать спину или приподнимать грудную клетку при дыхании. Маленькие косточки запястья и лодыжки тоже могут скользить одна о другую. Движение в суставах, которое наиболее нам знакомо, связано с резкими и экстремальными изменениями положения соседних костей друг относительно друга. Это наиболее заметно в конечностях, когда вы сгибаете руку в локте или ногу в колене. Движение здесь действительно происходит под углом 180 градусов.

При движении одной кости относительно другой важное значение придается снижению трения (что равнозначно важно и для созданных человеком механизмов). По этой причине те части костей, которые соприкасаются, окружены гладким слоем хрящевой ткани. Кости удерживаются вместе с помощью капсулы (синовиальной) соединительной ткани, которая окружает сустав и секретирует липкую жидкость, содержащую гиалуроновую кислоту. Суставы легко скользят по этому смазывающему слою синовиальной жидкости (похожей по консистенции на яичный белок). Суставы, в которых возможно более или менее свободное движение, по этой причине называются синовиальными суставами.

Тип движения, возможный в определенном синовиальном суставе, зависит от его строения. Как следствие, движение иногда возможно только в одной плоскости, назад и вперед, подобно двери на ее петлях, поэтому такой сустав называется блоковидным (шарнирным) суставом. Примером такого сустава может служить локтевой сустав, где проксимальный эпифиз локтевой кости как раз входит между двумя эпифизами на дистальном конце плечевой кости. Движение возможно только вперед-назад, но никак не из стороны в сторону.

Коленный сустав — это еще один шарнирный сустав. Такие же суставы между первой и второй фалангами, а также между второй и третьей фалангами пальцев руки. Это также относится и к аналогичным суставам пальцев ног, таким образом, в конечностях всего 40 шарнирных суставов.

Некоторые суставы позволяют движение вокруг каждой из двух осей. Например, вы можете не только согнуть пальцы ног, но также и раздвинуть их. То же самое относится и к пальцам рук.

Нижняя челюсть может двигаться вверх и вниз и по большей части является шарнирным суставом, но она также может немного двигаться из стороны в сторону, и обычное жевательное действие связано скорее с вращательным движением, чем с простым соприкосновением зубов. Понаблюдайте за коровой, жующей свою жвачку, если хотите увидеть такое вращательное движение в замедленном и полном достоинства виде. Наша голова способна еще более свободно двигаться в месте ее соединения с позвоночным столбом, поскольку она может наклоняться вперед, назад, влево, вправо или вращаться вокруг вертикальной оси.

Плечевая кость может поворачиваться под углом 180 градусов, так что ладонь кисти руки может быть обращена либо вверх, либо вниз без движения в локтевом или плечевом суставе. Это возможно из-за того, что проксимальный эпифиз лучевой кости входит в углубление на локтевой кости. В пределах этого углубления лучевая кость может поворачиваться. Если вы держите руку перед собой ладонью вверх, лучевая и плечевая кости параллельны, поверните руку ладонью вниз, и лучевая кость, поворачиваясь, пересекает локтевую. В этом отношении нога гораздо менее гибкая, чем рука.

Когда эпифиз одной кости входит в чашеобразную впадину другой, вы имеете шаровидный сустав, или артродию. Самый очевидный случай — это бедро, входящее в вертлужную впадину тазовой кости. При этом обеспечивается самое свободное, насколько возможно, движение, поэтому ноге можно придать почти любое положение, особенно при тренировке, вот почему в балетных танцах такие грациозные движения.

Подобный шаровидный сустав между плечевой костью и лопаткой обеспечивает еще более свободное движение, поскольку впадина в этом случае мельче, чем впадина в бедре. Вы можете повернуть руку, описав полный круг относительно плеча, и этот сустав, вне всяких сомнений, самый маневренный из всех суставов человеческого тела. (Понаблюдайте за подающим в бейсболе, который делает сложную подачу крученым мячом.) Это очень неплохо, принимая во внимание, что обладание рукой, способной к манипуляции с почти неограниченной гибкостью, — один из факторов, которые способствовали превращению обезьяны в человека.

Синовиальная капсула плечевого сустава

Резкие движения в суставе могут вызвать выпадение одной из костей из сопряжения с другой (вывих), в результате чего движение костей в этом месте становится невозможным, а все попытки его совершить становятся чрезвычайно болезненными. Шаровидный сустав подвержен вывихам гораздо сильнее, чем любой другой, а мелкий плечевой сустав подвержен вывихам больше остальных, за ним следует сустав бедра. Локоть тоже иногда подвержен вывиху, как и различные фаланги пальцев. Одним из несчастий, которое порой даже вызывает смех (у всех, кроме жертвы), является вывих нижней челюсти в результате слишком энергичной зевоты.

Для того чтобы по мере возможности предотвратить вывихи, недостаточно только синовиальных мембран или давления окружающих мышц, поддерживающих суставы в сцепленном состоянии. Соседние кости в синовиальных суставах соединяются полосами упругой ткани, называемыми связками. Связки помогают ограничить движение суставов до разумных пределов. Однако эти пределы при экстремальных условиях могут быть превышены настолько, что связки разорвутся с вывихом самого сустава или без такового. Подобные растяжения связок наиболее часто случаются в запястье или лодыжке. Появляющиеся в результате боль и отек знакомы нам всем, поскольку счастливчиков, которым удалось избежать растяжения связок, не так уж и много.

Связки могут быть либо белыми, либо желтыми. Белые связки в основном состоят из коллагена и лишены эластичности. Желтые связки содержат эластин, поэтому, естественно, эластичны. Первые встречаются довольно часто, а последние редко и у человека находятся лишь в шее.

Сильные белые связки связывают кости стопы так, что те изгибаются, образуя арку. Эти пружинистые связки амортизируют толчки при движении, а утрата эластичности этих связок вызывает плоскостопие.

Несмотря на все предосторожности, движущиеся части особенно склонны к неполадкам и в человеческом организме столь же уязвимы, сколь уязвимы различные сочленения машин и механизмов. В колене (пожалуй, наиболее уязвимом суставе тела, несмотря на дополнительную защиту коленной чашечки) после травмы может скапливаться синовиальная жидкость; такое состояние в народе известно как водянка колена или синовиальной сумки. Мембрана соединительной ткани, окружающей сустав, может воспалиться и стать болезненной. Это случается, когда на колено оказывается постоянное давление, как это в старые времена происходило у поломоек, которые вечно драили полы, стоя на коленях, поэтому такое заболевание стали называть «колено поломойки», или, по-научному, препателлярный бурсит. Синовиальная сумка по-латыни называется «bursa» (потому что сустав находится в ней, словно содержимое сумки). Воспаление синовиальной сумки, следовательно, может носить название бурсит. Он часто поражает и плечевой сустав.

Любое воспаление суставов, по какой бы причине оно ни возникло, – это разновидность артрита (по-гречески «воспаление сустава»). Самый опасный и самый распространенный – ревматоидный артрит, причина которого неизвестна, по который может поразить любого человека независимо от возраста, хотя наиболее часто случается в возрасте между тридцатью и сорока пятью годами. Он называется ревматоидным, потому что его симптомы ассоциируются с тем, что называется ревматизмом, то есть болью в суставах. Кроме боли, которую вызывает, болезнь в крайних проявлениях может деформировать сустав или даже обездвижить его навсегда из-за образования волокон и отложения солей. Таким образом, в конечном счете больной ревматоидным артритом оказывается прикованным к постели.

Глава 4

Мышцы

Живое движение

Хотя считается, что скелет предусматривает возможность движения, – в конце концов, он имеет суставы, – он не может двигаться сам по себе. Скелет, из которого делают страшилку для детей в сказках и мультфильмах, гремя костями, бросается в погоню за жертвой, угрожающе протягивая к ней костлявые руки. Однако не требуется особой искушенности, чтобы понять: кости, даже живые, с нетронутыми и живыми клетками, могут двигаться сами по себе с таким же успехом, как и пластиковый макет этих самых костей. Движение мы должны искать где-то в другом месте, и если и есть характерная черта, которая у нас ассоциируется с жизнью, так это осознанное движение.

В основном мы связываем такое движение с животной жизнью, поскольку небрежный взгляд приводит нас к предположению, что растения не передвигаются, за исключением тех случаев, когда они склоняются под ветром или их несет водяным потоком. Это конечно же не совсем верно. Стебли растений медленно поворачиваются в направлении света и против силы притяжения, в то время как их корни медленно движутся к воде и в направлении силы притяжения. Очевидно, такое медленное движение объясняется тем, что рост растения обусловлен клеточным делением. То есть клетки на одной стороне стебля или корня делятся быстро, а на другой — медленно, поэтому та или иная структура отклоняется в направлении нерастущей стороны. Если свет или влага замедляют рост на той стороне структуры, куда попадают, эта часть растения будет поворачиваться к свету или воде.

Для более быстрых движений в ответ на прикосновение или свет растения используют водяной тургор, что означает, что определенные полости у основания лепестков могут наполняться жидкостью под давлением. Когда эти основания становятся жесткими, лепестки раскрываются. Когда полости пусты, лепестки становятся вялыми и закрываются. Это примитивное приспособление, но и животные не лишены его. Тело человека имеет части, обычно вялые, которые могут набухать и становиться твердыми, когда губкообразные полости наполняются кровью под давлением. Самым известным примером, конечно же, является мужской пенис.

Тем не менее ни о чем таком мы не думаем, размышляя о жизни в движении. На ум приходят антилопы, лошади, гепарды, страусы (и, некоторым образом, мы сами), бегущие по земле, мы вспоминаем летящих птиц, летучих мышей и насекомых, ползущих змей, плывущих рыб и дельфинов, роющих нору кротов и так далее. (Однако существуют животные, такие, как моллюски и кораллы, которые большую часть своей жизни не более подвижны, чем растения.)

Если мы собираемся открыть механизм движения, то должны обратиться к клетке, которая является биологической единицей жизни. Мы обнаружим, что все клетки — людей, орлов, моллюсков и платановых деревьев — проявляют способность к внутреннему движению. Протоплазма внутри клетки постоянно циркулирует, подчиняясь определенной закономерности. Этот процесс называется течение (движение) протоплазмы, а иногда циклоз (от греческого слова «циркуляция»).

Ценность циклоза для любой клетки заключается в том, что в ходе этого процесса ее содержимое хорошо распределяется при условии, что различные части проводят довольно значительное время рядом с оболочкой, где из внешнего мира можно получить вещества или, наоборот, выбросить их в окружающее пространство. К тому же вещества могут транспортироваться посредством циклоза между оболочкой и жизненно важными структурами клетки, более или менее постоянно располагающимися внутри ее.