Особенности функций и строения опорно-двигательного аппарата

Органы движения представляют собой единую систему, где каждая часть и орган формируются и функционируют в постоянном взаимодействии друг с другом. Элементы, входящие в систему органов движения, подразделяют на две основные категории: пассивные (кости, связки и суставы) и активные элементы органов движения (мышцы).

Размер и форма тела человека в значительной мере определяется структурной основой – скелетом. Скелет обеспечивает опорой и защитой все тело и отдельные органы. В составе скелета имеется система подвижно сочлененных рычагов, приводимая в движение мышцами, благодаря чему и совершаются разнообразные движения тела и его частей в пространстве. Отдельные части скелета служат не только вместилищем жизненно важных органов, но и обеспечивают их защиту. Например, череп, грудная клетка и таз служат защитой мозга, легких, сердца, кишечника и др.

До недавнего времени господствовало мнение о том, что роль скелета в организме человека ограничена функцией опоры тела и участием в движении (это и послужило причиной появления термина «опорно-двигательный аппарат»). Благодаря современным исследованиям представление о функциях скелета значительно расширилось. Например, скелет активно участвует в обмене веществ, а именно в поддержании на определенном уровне минерального состава крови. Такие входящие в состав скелета вещества, как кальций, фосфор, лимонная кислота и другие, при необходимости легко вступают в обменные реакции. Функция мышц также не ограничивается включением костей в движение и совершением работы, многие мышцы, окружая полости тела, защищают внутренние органы.

Общие сведения о скелете. Форма костей. Человеческий скелет по строению схож со скелетом высших животных, но имеет целый ряд особенностей, которые связаны с прямохождением, передвижением на двух конечностях, высоким развитием руки и головного мозга.

Скелет человека – это система, состоящая из 206 костей, из них 85 парных и 36 непарных. Кости являются органами тела. Вес скелета у мужчины составляет примерно 18 % веса тела, у женщины – 16 %, у новорожденного – 14 %. В состав скелета входят кости различных величины и формы.

По форме кости делятся на: а) длинные (находятся в скелете конечностей); б) короткие (расположены в запястье и предплюсне, т. е. там, где одновременно необходимы большая прочность и подвижность скелета); в) широкие или плоские (образуют стенки полостей, в которых находятся внутренние органы – тазовая кость, кости мозгового черепа); г) смешанные (имеют различную форму).

Соединения костей. Кости сочленяются различными способами. По степени подвижности различают сочленения: а) неподвижные; б) малоподвижные; в) подвижные соединения костей, или суставы.

Неподвижное соединение образуется в результате срастания костей, при этом движения могут быть крайне ограниченными или вовсе отсутствовать. Например, неподвижность костей мозгового черепа обеспечивается тем, что многочисленные выступы одной кости входят в соответствующее углубление другой. Подобное соединение костей называется швом.

Наличие упругих хрящевых прокладок между костями обеспечивает небольшую подвижность. Например, такие прокладки имеются между отдельными позвонками. Во время сокращения мышц прокладки сжимаются, а позвонки сближаются. При активных движениях (ходьбе, беге, прыжках) хрящ действует в качестве амортизатора, тем самым смягчая резкие толчки и предохраняя тело от сотрясения.

Чаще встречаются подвижные соединения костей, что обеспечивается суставами. Концы костей, образующих сустав, покрыты гиалиновым хрящом толщиной от 0,2 до 0,6 мм. Этот хрящ очень эластичен, имеет гладкую блестящую поверхность, поэтому значительно уменьшается трение между костями, что существенно облегчает их движение.

Из очень плотной соединительной ткани образуется суставная сумка (капсула), которая окружает область сочленения костей. Крепкий наружный (фиброзный) слой капсулы прочно соединяет между собой сочленяющиеся кости. Внутри капсула выстлана синовиальной оболочкой. В полости сустава находится синовиальная жидкость, которая действует как смазка и тоже способствует уменьшению трения.

Снаружи сустав укреплен связками. Ряд суставов укрепляется связками и внутри. Кроме того, внутри суставов имеются особые приспособления, которые увеличивают сочлененные поверхности: губы, диски, мениски из соединительной ткани и хряща.

Полость сустава является герметически замкнутой. Давление между суставными поверхностями всегда отрицательное (меньше атмосферного), в связи с чем наружное атмосферное давление препятствует их расхождению.

Типы суставов. По форме суставной поверхности и по осям вращения выделяют суставы: а) с тремя; б) с двумя; в) с одной осью вращения.

Первую группу составляют шаровидные суставы – наиболее подвижные (например, сустав между лопаткой и плечевой костью). Сустав между безымянной костью и бедром, называемый ореховидным, является разновидностью шаровидного сустава.

Вторую группу составляют эллипсовидные (например, сустав между черепом и первым шейным позвонком) и седловидные суставы (например, сустав между пястной костью первого пальца руки и соответствующей костью запястья).

К третьей группе относятся блоковидные (суставы между фалангами пальцев), цилиндрические (между локтевой и лучевой костями) и винтообразные суставы (образующие локтевой сустав).

Любое незакрепленное тело обладает шестью степенями свободы, потому что производит три поступательных и три вращательных движения по осям координат. Закрепленное тело может производить только вращения. Поскольку все звенья тела закреплены, суставы с тремя осями вращения являются наиболее подвижными и имеют три степени свободы. Суставы с двумя осями вращения менее подвижны, поэтому имеют две степени свободы. Одну степень свободы, а значит, наименьшую подвижность имеют суставы с одной осью вращения.

Строение кости. Каждая кость представляет собой сложный орган, состоящий из костной ткани, надкостницы, костного мозга, кровеносных и лимфатических сосудов и нервов. За исключением соединяющихся поверхностей, вся кость покрыта надкостницей – тонкой соединительно-тканной оболочкой, богатой нервами и сосудами, которые проникают из нее в кость через особые отверстия. К надкостнице прикрепляются связки и мышцы. Клетки, составляющие внутренний слой надкостницы, растут и размножаются, чем обеспечивается рост кости в толщину, а в случае перелома – образование костной мозоли.

Распилив трубчатую кость вдоль длинной оси, можно увидеть, что на поверхности расположено плотное (или компактное) вещество кости, а под ним (в глубине) – губчатое. В коротких костях, таких как позвонки, преобладает губчатое вещество. В зависимости от нагрузки, которую испытывает кость, компактное вещество образует слой разной толщины. Губчатое вещество образуется очень тонкими костными перекладинами, ориентированными параллельно линиям основных напряжений. Это позволяет кости выдерживать значительные нагрузки.

Плотный слой кости имеет пластинчатое строение и похож на систему вставленных друг в друга цилиндров, что также придает кости крепость и легкость. Между пластинками костного вещества лежат клетки костной ткани. Костные пластинки составляют межклеточное вещество костной ткани.

Трубчатая кость состоит из тела (диафиза) и двух концов (эпифизов). На эпифизах располагаются суставные поверхности, которые покрыты хрящом, участвующим в образовании сустава. На поверхности костей размещаются бугры, бугорки, борозды, гребни, вырезки, к которым прикрепляются сухожилия мышц, а также отверстия, через которые проходят сосуды и нервы.

Химический состав кости. Высушенная и обезжиренная кость имеет следующий состав: органические вещества – 30 %; минеральные вещества – 60 %; вода – 10 %.

К органическим веществам кости относят волокнистый белок (коллаген), углеводы и многие ферменты.

Минеральные вещества кости представлены солями кальция, фосфора, магния и многими микроэлементами (такими как алюминий, фтор, марганец, свинец, стронций, уран, кобальт, железо, молибден и др.). Скелет взрослого человека содержит около 1200 г кальция, 530 г фосфора, 11 г магния, т. е. 99 % всего кальция, имеющегося в теле человека, содержится в костях.

У детей в костной ткани преобладают органические вещества, поэтому их скелет более гибкий, эластичный, легко деформируется при длительной и тяжелой нагрузке или неправильных положениях тела. Количество минеральных веществ в костях с возрастом увеличивается, в связи с чем кости становятся более хрупкими и чаще ломаются.

Органические и минеральные вещества делают кость прочной, твердой и упругой. Прочность кости обеспечивается также ее структурой, расположением костных перекладин губчатого вещества соответственно направлению сил давления и растяжения.

Кость тверже кирпича в 30 раз, гранита – в 2,5 раза. Кость прочнее дуба. По прочности она в девять раз превосходит свинец и почти так же прочна, как чугун. В вертикальном положении бедренная кость человека выдерживает давление груза до 1500 кг, а большеберцовая кость – до 1800 кг.

Развитие костной системы в детстве и юности. В период внутриутробного развития у детей скелет состоит из хрящевой ткани. Точки окостенения появляются через 7–8 недель. Новорожденный имеет окостеневшие диафизы трубчатых костей. После рождения процесс окостенения продолжается. Сроки появления точек окостенения и окончания окостенения различны для разных костей. При этом для каждой кости они относительно постоянны, по ним можно судить о нормальном развитии скелета у детей и об их возрасте.

Скелет ребенка отличается от скелета взрослого человека своими размерами, пропорциями, строением и химическим составом. Развитие скелета у детей определяет развитие тела (например, мускулатура развивается медленнее, чем растет скелет).

Существует два пути развития кости.

1. Первичное окостенение, когда кости развиваются непосредственно из зародышевой соединительной ткани – мезенхимы (кости свода черепа, лицевой части, отчасти ключица и др.). Сначала образуется скелетогенный мезенхимный синцитий. В нем закладываются клетки – остеобласты, которые превращаются в костные клетки – остеоциты, и фибриллы, пропитанные солями кальция и превращающиеся в костные пластинки. Таким образом, кость развивается из соединительной ткани.

2. Вторичное окостенение, когда кости первоначально закладываются в виде плотных мезенхимных образований, имеющих примерные очертания будущих костей, затем превращаются в хрящевые ткани и замещаются костными тканями (кости основания черепа, туловища и конечностей).

При вторичном окостенении развитие костной ткани происходит замещением и снаружи, и внутри. Снаружи образование костного вещества происходит остеобластами надкостницы. Внутри окостенение начинается с образования ядер окостенения, постепенно хрящ рассасывается и замещается костью. По мере роста кость рассасывается изнутри специальными клетками – остеокластами. Нарастание костного вещества идет снаружи. Рост кости в длину происходит за счет образования костного вещества в хрящах, расположенных между эпифизом и диафизом. Эти хрящи постепенно сдвигаются в сторону эпифиза.

Многие кости в человеческом организме закладываются не целиком, а отдельными частями, которые потом сливаются в единую кость. Например, тазовая кость сначала состоит из трех частей, сливающихся вместе к 14–16 годам. Также закладываются тремя основными частями и трубчатые кости (ядра окостенения в местах образования костных выступов не учитываются). Например, большеберцовая кость у зародыша первоначально состоит из сплошного гиалинового хряща. Окостенение начинается в средней части приблизительно на восьмой неделе внутриутробной жизни. Замещение на кость диафиза происходит постепенно и идет сначала снаружи, а затем изнутри. При этом эпифизы остаются хрящевыми. Ядро окостенения в верхнем эпифизе появляется после рождения, а в нижнем – на втором году жизни. В средней части эпифизов кость сначала растет изнутри, потом снаружи, в результате чего остаются отделяющие диафиз от эпифизов две прослойки эпифизарного хряща.

В верхнем эпифизе бедренной кости образование костных балочек происходит в возрасте 4–5 лет. После 7–8 лет они удлиняются и становятся однородными и компактными. Толщина эпифизарного хряща к 17–18 годам достигает 2–2,5 мм. К 24 годам рост верхнего конца кости заканчивается и верхний эпифиз срастается с диафизом. Нижний эпифиз прирастает к диа-физу еще раньше – к 22 годам. С окончанием окостенения трубчатых костей прекращается их рост в длину.

Процесс окостенения. Общее окостенение трубчатых костей завершается к концу полового созревания: у женщин – к 17–21, у мужчин – к 19–24 годам. Из-за того, что у мужчин половое созревание заканчивается позднее, чем у женщин, они имеют в среднем более высокий рост.

С пяти месяцев до полутора лет, т. е. когда ребенок становится на ноги, происходит основное развитие пластинчатой кости. К 2,5–3 годам остатки грубоволокнистой ткани уже отсутствуют, хотя в течение второго года жизни большая часть костной ткани имеет пластинчатое строение.

Пониженная функция желез внутренней секреции (передней части аденогипофиза, щитовидной, околощитовидных, вилочковой, половых) и недостаток витаминов (особенно витамина D) могут вызвать задержку окостенения. Ускорение окостенения происходит при преждевременном половом созревании, повышенной функции передней части аденогипофиза, щитовидной железы и коры надпочечников. Задержка и ускорение окостенения чаще всего проявляются до 17–18 лет, и разница между «костным» и паспортным возрастами может достичь 5-10 лет. Иногда на одной стороне тела окостенение происходит быстрее или медленнее, чем на другой.

С возрастом химический состав костей изменяется. Кости детей содержат больше органических веществ и меньше неорганических. По мере роста значительно увеличивается количество солей кальция, фосфора, магния и других элементов, меняется соотношение между ними. Так, у маленьких детей в костях больше всего задерживается кальция, однако по мере взросления происходит смещение в сторону большей задержки фосфора. Неорганические вещества в составе костей новорожденного составляют одну вторую веса кости, у взрослого – четыре пятых.

Изменение строения и химического состава костей влечет и изменение их физических свойств. У детей кости более эластичны и менее ломки, чем у взрослых. Хрящи у детей также более пластичны.

Возрастные различия в строении и составе костей особенно отчетливо проявляются в количестве, расположении и строении гаверсовых каналов. С возрастом их число уменьшается, а расположение и строение изменяются. Чем старше ребенок, тем больше в его костях плотного вещества, у маленьких детей больше губчатого вещества. К 7 годам строение трубчатых костей сходно с таковым у взрослого человека, однако между 10–12 годами губчатое вещество костей еще интенсивнее изменяется, его строение стабилизируется к 18–20 годам.

Чем младше ребенок, тем больше надкостница сращена с костью. Окончательное разграничение между костью и надкостницей происходит к 7 годам. К 12 годам плотное вещество кости имеет почти однородное строение, к 15 годам совершенно исчезают единичные участки рассасывания плотного вещества, а к 17 годам в нем преобладают большие остеоциты.

С 7 до 10 лет резко замедляется рост костно-мозговой полости в трубчатых костях, окончательно она формируется с 11–12 до 18 лет. Увеличение костно-мозгового канала происходит параллельно с равномерным ростом плотного вещества.

Между пластинками губчатого вещества и в костно-мозговом канале находится костный мозг. В связи с большим количеством кровеносных сосудов в тканях у новорожденных есть только красный костный мозг – в нем происходит кроветворение. С шести месяцев начинается постепенный процесс замены в диафизах трубчатых костей красного костного мозга на желтый, состоящий по большей части из жировых клеток. Замена красного мозга заканчивается к 12–15 годам. У взрослых красный костный мозг сохраняется в эпифизах трубчатых костей, в грудине, ребрах и позвоночнике и составляет приблизительно 1500 куб. см.

Срастание переломов и образование костной мозоли у детей происходит через 21–25 дней, у грудных детей этот процесс происходит еще быстрее. Вывихи у детей до 10 лет редки ввиду большой растяжимости связочного аппарата.