Сайт учителя биологии и географии Лотоцкой Е. Г.

Блок 4. Человек и его здоровье

Опора и движение. Опорно-двигательный аппарат

Опорно-двигательный аппарат человека состоит из двух частей: пассивной (скелет) и активной (мышцы). 

Он выполняет следующие основные функции:

1) опорная — поддержание всех других систем и органов, сохранение формы тела;

2) двигательная — передвижение в пространстве тела и его частей;

3) защитная — ограничивая внутренние полости, предохраняет от внешних воздействий расположенные в них внутренние органы.

Основными структурными единицами опорно-двигательной системы являются кости и мышцы.

Состав и строение кости

Структурной основой кости является костная ткань. В её состав входят органические вещества, придающие костям упругость, и неорганические вещества, главным образом минеральные соли фосфора, кальция, магния. Минеральные соли придают костям твёрдость.

Под микроскопом видно, что кость состоит из огромного числа трубочек, называемых остеонами. Остеон представляет собой несколько слоёв 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.

Рассмотрим в качестве примера строение бедренной кости. Среднюю часть кости называют диафизом, а концевые суставные головки — эпифизами. Внутри диафиза находится канал, наполненный жёлтым костным мозгом. Поэтому такую кость, как бедренная, называют трубчатой. Диафиз образован компактным веществом и покрыт снаружи особой оболочкой из соединительной ткани — надкостницей. В ней проходит большое количество кровеносных сосудов и расположено множество нервных окончаний. 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.

Рост костей

У детей кости в значительной степени состоят из хрящевой ткани, а с возрастом постепенно происходит их окостенение. В последнюю очередь происходит замена хряща на кость в области шеек длинных костей, то есть между диафизом и эпифизами. В этих областях клетки делятся, за счёт 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 костей прекращается.

Рост кости в толщину происходит за счёт деления клеток надкостницы. Кроме того, надкостница обеспечивает срастание переломов кости.

Виды костей

В основу классификации костей положены следующие принципы: форма (строение) и функции. Различают трубчатые (длинные и короткие), губчатые (длинные и короткие), плоские и смешанные кости.

Трубчатые кости построены из губчатого и компактного вещества, образующего трубку с костномозговой полостью. Они выполняют все три функции скелета (опора, защита и движение). Из них длинные трубчатые кости (плечо и кости предплечья, бедро и кости голени) являются стойками и длинными рычагами движения; короткие трубчатые кости (кости пясти, плюсны, фаланги) представляют короткие рычаги движения.

Губчатые кости построены преимущественно из губчатого вещества, покрытого тонким слоем компактного. Среди них различают длинные губчатые кости (рёбра и грудина) и короткие (кости запястья, предплюсны).

Плоские кости построены из двух пластинок компактного костного вещества, между которыми расположено губчатое вещество кости. Различают плоские кости черепа (лобная и теменные), которые выполняют преимущественно защитную функцию, и плоские кости поясов (лопатка, тазовые кости), которые выполняют функции опоры и защиты.

Смешанные кости имеют сложную форму. Они состоят из нескольких частей, имеющих различное строение и происхождение (кости основания черепа, позвонки).

Свойства костей

Важнейшими свойствами костей человека являются: твёрдость, прочность и эластичность, которые обусловлены особенностями их состава и строения. Твёрдость костей приближается к стали! Не случайно наши предки использовали костный материал, полученный от животных, для изготовления простейших орудий труда, наконечников стрел и гарпунов. Прочность позволяет костям выдерживать огромные нагрузки. Например, установлено, что бедренная кость способна выдержать нагрузку в 1,5 т. Не меньшее значение имеет и эластичность костей. Именно это свойство позволяет защитить организм от повреждений, вызванных повышенной нагрузкой на опорно-двигательную систему. Особое значение в придании костям эластичности имеет надкостница.

Скелет человека

Скелет человека состоит из костей и соединяющих их связок — хрящей. В нём различают несколько отделов: скелет головы, скелет туловища, пояса конечностей и скелет конечностей. По весу скелет среднего человека составляет приблизительно 15% от массы тела. Всего в скелете человека насчитывают около 200 костей, но их точное число указать нельзя, так как у разных людей (в некоторых отделах) оно может различаться.

Соединения костей

Соединения нужны либо для того, чтобы одни кости могли двигаться относительно других, либо для того, чтобы соединить несколько костей в одно прочное образование. Поэтому-то соединения костей и бывают различными: подвижными (прерывными), полуподвижными и неподвижными (непрерывными).

Подвижными соединениями являются суставы. Они бывают различной формы. Чаще всего сустав состоит из суставных поверхностей костей, покрытых гиалиновым хрящом, причём 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 особая 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 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 между многими позвонками, соединения рёбер с грудиной и грудными позвонками.

Скелет головы

Скелет головы называют черепом. Череп определяет форму головы, предохраняет от повреждений головной мозг, органы зрения, слуха и обоняния. Всего череп включает в себя 23—25 костей. Череп подразделяют на мозговой и лицевой отделы. Мозговой отдел черепа образован неподвижно соединёнными костями: лобной, двумя теменными, двумя височными, затылочной, клиновидной и решётчатой. Эти кости образуют вместительную полость черепа, в которой расположен головной мозг.

Кости мозгового отдела пронизаны многочисленными отверстиями, через которые проходят кровеносные сосуды и нервы. Самое крупное отверстие расположено в затылочной кости. Через него спинной мозг сообщается 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. Она может двигаться и вверх-вниз, и вправо-влево.

Позвоночник

Основой скелета туловища является позвоночный столб, или позвоночник. Он состоит из 33— 34 позвонков. Позвонок состоит из тела и отростков. Дуги позвонков замыкают позвоночные отверстия, которые, располагаясь друг над другом, образуют полость — позвоночный канал. В нём проходит спинной мозг. Тела позвонков полуподвижно 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. Однако за ночь позвоночник человека восстанавливается до прежней длины.

В позвоночнике выделяют следующие отделы: шейный, грудной, поясничный, крестцовый и копчиковый. Чем ниже расположен позвонок в позвоночнике, тем больше на него нагрузка и тем массивнее его тело.

У человека, как и у млекопитающих животных, семь позвонков образуют шейный отдел. 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 рёбер. Семь верхних рёбер также полуподвижно соединены с грудной костью, или грудиной. VIII, IX и Х рёбра через хрящи соединены с вышележащими рёбрами. Передние концы XI и XII рёбер свободно заканчиваются в мышцах. Грудина состоит из рукоятки, к которой присоединяются ключицы, тела, к которому присоединяется I—VII пары грудных рёбер, и мечевидного отростка. Грудные позвонки, рёбра и грудина образуют грудную клетку, в полости которой расположены сердце, лёгкие, трахея и пищевод. Благодаря движениям грудной клетки осуществляется внешнее дыхание.

Поясничный отдел позвоночника образован пятью массивными поясничными позвонками.

Все пять крестцовых позвонков срастаются в единый крестец, прочно соединённый 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. Верхушка крестца соединяется с копчиком.

Копчиковый отдел позвоночника у человека образован 4—5 маленькими сросшимися позвонками.

Как вам уже известно, в связи с переходом людей к прямохождению в позвоночнике образовались четыре изгиба, два из которых направлены выпуклостью вперёд: шейный и поясничный лордозы, а другие два направлены выпуклостью назад: грудной и крестцово-копчиковый кифозы. Благодаря этим изгибам обеспечивается надёжная амортизация головного мозга при ходьбе, беге, прыжках.

Скелет конечностей и поясов

Скелет плечевого пояса нужен для соединения скелета руки с остальным скелетом. В его состав входят две лопатки и две ключицы. Лопатки — плоские треугольные кости, расположенные на задней стороне грудной клетки и соединённые с ней только посредством мышц. Ключицы — S-образные кости, соединённые 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 остаётся семь), расположенными в два ряда, пятью костями пясти и фалангами пальцев (в большом пальце две фаланги, а в остальных по три).

Скелет тазового пояса служит для соединения скелета ноги с позвоночником. Тазовый пояс образуется за счёт срастания двух подвздошных, двух седалищныхи двух лобковых костей. В месте соединения этих костей находится вертлужная впадина, в которую входит головка бедренной кости. Тазовые кости соединяются с крестцом в очень прочную конструкцию — таз. Он представляет собой костное кольцо, внутри которого находится полость. На таз опирается позвоночный столб, а образующие его плоские кости поддерживают и защищают внутренние органы, расположенные в брюшной полости.

Скелет свободной нижней конечности образован бедренной костью, костями голени (большая и малая берцовая) и костями стопы. Стопа состоит из семи костей предплюсны (самая крупная из которых — пяточная), пяти костей плюсны и фаланг пальцев (в большом пальце две и по три в остальных). У человека стопа сводчатая, чтобы смягчать толчки, возникающие при ходьбе, беге и прыжках, что является ещё одним приспособлением к прямохождению.

Формирование изгибов позвоночника у человека происходит постепенно в течение первого года жизни.

Позвоночник новорождённого имеет только два изгиба — грудной и крестцовый кифозы, которые называют первичными. Шейный и поясничный лордозы развиваются позднее и называются вторичными. Изгиб шейного отдела развивается у ребёнка примерно к 1,5 месяцам, когда начинают формироваться мышцы шеи и ребёнок, лёжа на животе, начинает поднимать голову. Изгиб поясничного отдела появляется, когда ребёнок начинает сидеть и ползать.

Формирование изгибов позвоночника зависит от особенностей ухода за ребёнком. Если родители носят ребёнка на руках в правильном положении, изгибы его позвоночника будут формироваться своевременно и правильно. Если же они носят ребёнка, неравномерно распределяя нагрузку на его неокрепший позвоночник, слишком рано начинают его сажать или просто перевозят в сидячем положении в коляске, то это неизбежно привёдет к нарушениям нормального процесса формирования изгибов позвоночного столба.

Строение и функции скелетных мышц

Мышцы, соединённые с костями скелета, называют поперечно-полосатыми или скелетной мускулатурой. Они выполняют в организме целый ряд функций: передвижение человека и частей его тела в пространстве, поддержание позы, дыхательные движения, жевание и глотание, артикуляция и мимика, защита внутренних органов.

В теле человека различные исследователи насчитывают от 400 до 600 мышц. По массе они составляют от 35 до 50% у тренированных спортсменов.

Строение скелетных мышц

Структурной основой скелетных мышц является поперечно-полосатая мышечная ткань, которая состоит из многоядерных клеток, имеющих вид поперечно исчерченных волокон, способных к изменению своей длины, то есть к сокращению. Именно эта ткань образует часть мышцы, называемую брюшко. Волокна собраны в пучки, каждый пучок покрыт оболочкой из соединительной ткани. Пучки, в свою очередь, собраны в скелетную мышцу и тоже покрыты общей соединительно-тканной оболочкой — фасцией. На концах мышц эта оболочка утолщается и превращается в сухожилия, которые прикрепляют мышцу к специальным шероховатостям, бугоркам и выростам на костях.

Группы скелетных мышц

Мышцы тела человека подразделяют в соответствии с их расположением в организме.

Мышцы головы и шеи. Мышцы головы по функциям делят на жевательные и мимические. Жевательные мышцы одним концом прикреплены к костям черепа, а другим — к нижней челюсти. Из их названия ясно, что они необходимы для механического измельчения и перемешивания пищи, то есть для её пережёвывания. Мимические мышцы одним концом прикреплены к лицевой части черепа, а другим — к внутренней поверхности кожи лица. Круговые мышцы рта и глаз вообще не прикреплены к костям. Таким образом, они являются исключением среди мышц скелета, обычно прикреплённых к костям с обеих сторон. Мимические мышцы осуществляют открывание и закрывание глаз, придают лицу определённое выражение, а также служат для произнесения некоторых звуков. Для человека, который постоянно общается с другими людьми, мимические мышцы очень важны. Все мы знаем, что иногда выражение лица говорит больше, чем любые слова. Мышцы шеи нужны для движения не только самой шеи, но и головы, а также нижней челюсти.

Мышцы спины осуществляют движения головы, шеи, лопаток. Они могут приподнимать и опускать руки. Кроме того, мышцы спины необходимы для поддержания вертикального положения тела.

Одна группа мышц груди присоединена к костям плечевого пояса и рук и участвует в их движении. Другая группа называется межрёберными мышцами. Именно эти мышцы поднимают и опускают рёбра при внешнем дыхании.

Мышцы живота. Передние и боковые стенки живота образованы мышцами, которые называются брюшным прессом. Их так назвали потому, что при совместном сокращении они надавливают на внутренние органы, располагающиеся в брюшной полости. Мышцы живота необходимы для поворотов туловища в стороны и наклонов. Они участвуют в дыхательных движениях, а также во многих других процессах жизнедеятельности. При этом брюшной пресс выполняет не только двигательную, но и защитную функцию. К мышцам живота относят также диафрагму, которая герметично разделяет полость тела человека на грудную и брюшную полости. Основная функция диафрагмы — участие в дыхательных движениях.

Мышцы плечевого пояса и руки обеспечивают сложнейшие перемещения руки и её отделов.

Мышцы тазового пояса и ноги. Тазовые мышцы обеспечивают движение бедра, мышцы бедра участвуют в движении бедра и голени. Мышцы голени необходимы для движения стопы, и, наконец, мышцы стопы сгибают и разгибают пальцы ног. 

Работа мышц и ее регуляция

Большинство скелетных мышц обеспечивает движение какого-либо сустава. По выполняемым движениям различают мышцы: сгибатели, разгибатели, приводящие сустав, отводящие сустав, вращатели сустава. Обычно в любом движении сустава участвует несколько групп мышц. Мышцы, совместно участвующие в каком-либо 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 (трёхглавая мышца) являются антагонистами.

Работа мышц требует больших затрат энергии, которая выделяется при биологическом распаде питательных веществ, поступающих в организм вместе с пищей. Вот почему люди, занятые тяжёлым физическим трудом, должны хорошо питаться.

Работа скелетных мышц зависит от их силы. Мышца тем сильнее, чем больше в ней мышечных волокон. При этом наблюдается следующая зависимость: чем более активно и регулярно работает мышца, тем больше в ней мышечных волокон. То есть систематические тренировки способствуют увеличению объёма мышц, их силы и работоспособности, а это, в свою очередь, влияет на физическое развитие всего организма. И наоборот, продолжительная бездеятельность мышц ведёт к разрушению мышечных волокон и потере работоспособности — атрофии мышц.

Регуляция деятельности скелетных мышц

Работа всех групп скелетных мышц, обслуживающих какой-либо сустав, осуществляется рефлекторно и происходит согласованно, так как находится под контролем головного мозга. Таким образом, если человеку необходимо согнуть локтевой сустав, то сгибатель (двуглавая мышца) сокращается, а разгибатель (трёхглавая мышца) соответственно расслабляется, чтобы не мешать движению сустава. Если же двуглавая и трёхглавая мышцы одновременно сократятся, развивая одинаковое усилие, то локтевой сустав зафиксируется в каком- либо определённом положении.

Любые движения, происходящие по желанию человека, называют произвольными. Они контролируются головным мозгом. Непроизвольные движения осуществляются рефлекторно, например в ответ на укол острым предметом или прикосновение к горячему предмету, и могут быть вызваны механическим раздражением нервных окончаний, находящихся в коже.

Работа скелетной мускулатуры может регулироваться не только нервной системой, но и гуморальным путём. Это осуществляется с помощью различных биологически активных веществ, приносимых к мышцам системой кровообращения.

Утомление мышц

Чем чаще сокращается какая-либо мышца и чем выше на неё нагрузка, тем быстрее развивается её утомление. Утомлением называют временное снижение работоспособности мышц. Скорость развития утомления зависит от характера работы, величины нагрузки и ритмичности осуществляемых движений. При кратковременном прекращении работы (отдыхе) работоспособность мышц быстро возвращается, а иногда и превышает исходный уровень — происходит восстановление.

И. М. Сеченов, по праву считающийся основоположником русской физиологической школы, установил, что для каждой физической работы можно подобрать такую нагрузку и ритм, которые помогут человеку сохранить оптимальную работоспособность при наименьшем утомлении. Кроме того, он показал, что восстановление происходит быстрее при чередовании нагрузки на разные мышцы, при активном отдыхе.

Утомление и восстановление — нормальные физиологические явления, которые являются естественным защитным механизмом, предотвращающим нарушение работы всего организма.

Гладкие мышцы

Эти мышцы образованы гладкой мышечной тканью и входят в состав стенок внутренних органов: желудка, кишечника, матки, мочевого пузыря и др., а также большинства кровеносных сосудов.

Гладкие мышцы сокращаются медленно — в течение десятков секунд. Но благодаря этому тратится меньше энергии, образуется меньше продуктов обмена. Гладкие мышцы могут находиться в состоянии сокращения очень долго, а утомление в них практически не развивается. Например, мышцы стенок артерий человека находятся в сокращённом состоянии всю жизнь. Гладкие мышцы сокращаются только непроизвольно, то есть мы не можем сокращать их по своей воле.