Движение играет огромную роль в жизни всех живых существ, в том числе и человека. Активное перемещение в пространстве является основным отличием животных от растений. Движение служит одной из главных приспособительных реакций животного к окружающей среде, оно осуществляется двигательным аппаратом. Двигательный аппарат человека состоит из костей, соединений между ними и мышц. Движения происходят в местах соединения костей. Мышечная ткань, основным свойством которой является способность сокращаться, приводит в движение костные рычаги. Кости и их соединения относят к пассивной части двигательного аппарата, а мышцы - к его активной части.
У простейших животных опорным и защитным приспособлением является наружный скелет (например, хитиновый покров членистоногих). Однако удобный для защиты, он препятствует росту животного. У позвоночных развивается внутренний скелет, который становится опорой, поддержкой и защитой для мягких тканей и органов.
Биологическое значение костной системы связано с участием ее в минеральном обмене (скелет является депо минеральных солей - фосфора, кальция, железа и др.).
Кости позвоночника и нижних конечностей выполняют главным образом опорную функцию. Кости, составляющие черепную коробку, образуют хорошо защищенное вместилище для головного мозга; позвоночный канал служит костным футляром для спинного мозга; кости, образующие грудную клетку, защищают от внешних воздействий легкие и сердце; кости таза предохраняют мочевой пузырь и прямую кишку, а у женщин также и матку с маточными трубами и яичниками.
Двигательную функцию, функцию рычагов выполняют преимущественно кости конечностей.
Твердый скелет человека состоит более чем из 200 костей, из которых 95 - парные кости. Скелет имеет массу 5 - 6 кг, составляя у мужчин 10%, а у женщин - 8,5% от общей массы тела.
Строение костей
Изучение скелета в медицинских учебных заведениях производится на так называемых мацерированных, мертвых, высушенных костях (само слово "скелет" происходит от греческого "высушенный"). Такие кости существенно отличаются от живых костей.
Каждая кость живого человека представляет собой сложный орган: она занимает точное положение в теле, имеет определенные форму и строение, выполняет свойственную ей функцию. В образовании кости принимают участие все виды тканей. Конечно, главное место занимает костная ткань. Хрящ покрывает только суставные поверхности кости, снаружи кость покрыта надкостницей, внутри расположен костный мозг. Кость содержит жировую ткань, кровеносные и лимфатические сосуды, нервы. Костная ткань обладает высокими механическими свойствами, ее прочность можно сравнить с прочностью металла. Относительная плотность костной ткани около 2,0. Живая кость содержит 50% воды, 12,5% органических веществ белковой природы (оссеин и оссеомукоид), 21,8% неорганических минеральных веществ (главным образом фосфат кальция) и 15,7% жира.
В высушенной кости 2/з составляют неорганические вещества, от которых зависит твердость кости, и 1/з - органические вещества, обусловливающие ее упругость. В этом можно легко убедиться, проделав несложные опыты. Если прокаливанием кости удалить из нее все органические вещества, то кость, хотя и сохранит свою форму, станет хрупкой, так как именно сгоревшие органические вещества придают ей гибкость, упругость и эластичность. Если опустить кость в концентрированную кислоту, то она уже через несколько часов станет мягкой, легко гнущейся: произошла декальцинация кости, неорганические соединения, придающие кости твердость, растворились.
Содержание в кости минеральных (неорганических) веществ с возрастом постепенно увеличивается, в результате чего кости пожилых и старых людей становятся более хрупкими. По этой причине даже незначительные травмы у стариков сопровождаются переломами костей. Гибкость и упругость костей у детей зависят от относительно большего содержания в них органических веществ.
Из костной ткани образуются системы костных пластинок. Если костные пластинки плотно прилегают друг к другу, то получается плотное (компактное) костное вещество. Если костные перекладины расположены рыхло, то образуется губчатое костное вещество. Нужно помнить, однако, что и в компактном, и в губчатом веществе костные перекладины располагаются не беспорядочно, а строго закономерно по линиям сил сжатия (действие тяжести тела на кость) и растяжения (действие на кость сокращающихся мышц, которые начинаются и прикрепляются на кости) (рис. 22).
Рис. 22. Расположение костных перекладин в губчатом веществе вдоль направления сил сжатия (1) и растяжения (2) бедренной кости (схема)
Различают длинные, короткие, широкие, или плоские, и смешанные кости (рис. 23). К длинным костям относятся длинные трубчатые кости конечностей (плечевая и бедренная, кости предплечья и голени). В длинной трубчатой кости выделяют среднюю часть - тело кости, или диафиз, и два утолщенных конца - верхний и нижний эпифизы. В детском возрасте между диафизом и эпифизами расположены хрящи. У взрослых людей эти хрящи замещаются костной тканью, а участки кости между диафизом и эпифизом образуют метафизы. Строение длинной трубчатой кости отчетливо видно на продольном распиле. Диафиз ее состоит из компактного костного вещества. Внутри диафиза находится костномозговая полость. В ней лежит желтый костный мозг. Снаружи диафиз покрыт надкостницей (рис. 24). Эпифизы построены из губчатого костного вещества, в ячейках которого находится красный костный мозг. Снаружи эпифизы покрыты суставным гиалиновым хрящом. Надкостница диафиза постепенно переходит в надхрящницу эпифизов.
Рис. 23. Скелет человека. 1 - череп; 2 - позвоночный столб; 3 - ключица; 4 - ребро; 5 - грудина; 6 - плечевая кость; 7 - лучевая кость; 8 - локтевая кость; 9 - кости запястья; 10 - кости пясти; 11 - фаланги пальцев кисти; 12 - седалищная кость; 13 - кости плюсны; 14 - кости предплюсны; 15 - большеберцовая кость; 16 - малоберцовая кость; 17 - надколенник; 18 - бедренная кость; 19 - лобковая кость; 20 - подвздошная кость
Рис. 24. Левая плечевая кость с надкостницей. 1 - надкостница; 2 - участок кости, свободный от надкостницы
В течение всего периода развития и роста между диафизом и эпифизами трубчатых костей имеется хрящевая прослойка - так называемый эпифизарный (метаэпифизарный) хрящ, благодаря которому кость растет в длину. Полное замещение хряща костью происходит у женщин к 18 - 20 годам, у мужчин к 23 - 25 годам. С этого времени рост скелета, а значит и рост человека прекращается.
Красный костный мозг является органом кроветворения. Он состоит из тонкой сети соединительнотканных волокон, в которой созревает громадное количество красных и белых клеток крови. Эти клетки как бы вымываются током крови и разносятся по всему организму.
В зародышевом периоде и в раннем детском возрасте костномозговые полости диафизов длинных трубчатых костей также заполнены красным костным мозгом. Со временем он подвергается жировому перерождению и превращается в желтый костный мозг.
Надкостница - тонкая, но плотная соединительнотканная пластинка, состоящая из наружного - волокнистого и внутреннего - костеобразующего (камбиального) слоев. Она имеет много кровеносных сосудов, которые придают ей бледно-розовый цвет. За счет надкостницы кость растет в толщину. Некоторые кости имеют небольшие размеры, но построены по типу длинных трубчатых костей (кости пясти, плюсны, фаланги пальцев).
Другую группу составляют короткие кости, построенные по типу эпифизов длинных трубчатых костей. Такие кости (позвонки, грудина, кости запястья и предплюсны и т. д.) состоят преимущественно из губчатого костного вещества и только снаружи покрыты тонким слоем компактного костного вещества.
Плоские кости образованы из двух пластинок компактного костного вещества, между которыми располагается губчатое вещество. Эти кости выполняют главным образом защитную функцию, ограничивая своими широкими поверхностями полости (теменные, тазовые и др.).
Некоторые кости черепа отличаются наличием в них полостей, выстланных слизистой оболочкой и наполненных воздухом. Их выделяют в группу воздухоносных костей, к которым относят лобную, основную, решетчатую и верхнечелюстные кости. Эти кости входят в состав лицевого черепа. Находящиеся в них полости являются дополнениями к носовой полости, их называют околоносовыми пазухами. У новорожденного они неразвиты и формируются по мере роста черепа. Гнойное воспаление слизистой оболочки пазух опасно, так как отток гноя из них затруднен, поэтому нередко необходима операция.
Развитию скелета предшествует образование спинной струны - хорды. На 1-м месяце внутриутробной жизни вокруг хорды и в местах закладки всех будущих костей происходят сгущение и уплотнение зародышевой соединительной ткани - мезенхимы. Так образуется перепончатый скелет зародыша - первая стадия развития, общая для всех костей. Очень скоро перепончатый скелет сменяется хрящевым. Он состоит уже как бы из упрощенных хрящевых моделей, напоминающих по форме будущие кости. Хрящевой скелет - это вторая стадия развития костей.
В конце 2-го месяца внутриутробной жизни начинается окостенение хрящевого скелета. Возникают ядра окостенения. При этом образование костной ткани идет параллельно с разрушением хряща. Замена хряща костью продолжается после рождения и происходит в течение длительного времени. Полным вытеснением хряща костной тканью заканчивается третья - костная - стадия развития костей. У взрослого человека хрящ имеется только на суставных поверхностях сочленяющихся костей. Интересно, что ядра окостенения возникают для разных костей в различные, но закономерные сроки. Это используется для определения возраста плодов в судебно-медицинской практике.
Итак, большинство костей скелета в процессе своего развития проходит три стадии: перепончатую, хрящевую и костную. Исключение составляют плоские кости крыши черепа и кости лицевого черепа, которые проходят лишь две стадии развития - перепончатую и костную. У новорожденных и детей первого года жизни можно видеть остатки перепончатого черепа в виде родничков.
Соединение костей
Каждая кость занимает в теле человека определенное место и всегда находится в непосредственной связи с другими костями, тесно прилегая к одной или нескольким костям1. Различают два основных вида соединений костей:
1) непрерывные - фиброзные соединения (синартрозы), когда кости связаны одна с другой с помощью прокладки между ними из оформленной плотной соединительной ткани, хряща или кости; 2) прерывные - синовиальные соединения - суставы (диартрозы), когда между сочленяющимися костями находится суставная полость, а кости удерживаются одна около другой с помощью замкнутой суставной капсулы и подкрепляющих ее связок и мышц.
1(Исключение составляют подъязычная кость, укрепленная при помощи связок и мышц, и так называемые сесамовидные кости, заложенные в толще сухожилий мышц (надколенник, гороховидная кость запястья и др.).)
К непрерывным соединениям относятся синдесмозы, синхондрозы и синостозы (рис. 25). По функции это или малоподвижные, или неподвижные соединения..
Рис. 25. Виды соединений костей (схема), а - сустав; б - синдесмоз (шов); в - синхондроз; 1 - надкостница; 2 - кость; 3 - волокнистая соединительная ткань; 4 - хрящ; 5 - синовиальная мембрана суставной капсулы; 6 - фиброзная мембрана суставной капсулы; 7 - суставные хрящи; 8 - суставная полость
Синдесмоз - соединение костей при помощи оформленной плотной соединительной ткани. Самый распространенный вид синдесмоза - связки (например, межостистые и межпоперечные связки позвоночника и т. д.). Некоторые связки имеют вид перепонок или мембран (мембраны между костями предплечья, голени). Разновидностью синдесмоза являются швы черепа. Сюда же относится форма укрепления зубов в луночках челюсти - вколачивание.
Синхондроз - непрерывное соединение костей с помощью хряща. Своеобразным синхондрозом является симфиз. Например, лобковый симфиз - это хрящевое соединение лобковых костей. Межпозвоночный симфиз - соединение тел позвонков с помощью межпозвоночных дисков.
Синостоз - соединение костей с помощью костной ткани, костное сращение. Как правило, оно возникает на почве синхондроза (например, синостоз между телами затылочной и клиновидной костей).
К прерывным относятся синовиальные соединения (суставы). По функции это подвижные соединения. В суставе различают суставные поверхности сочленяющихся костей, окружающую их суставную капсулу и суставную полость. Суставные поверхности костей покрыты гиалиновым хрящом1. Толщина суставного хряща колеблется от 0,5 до 4 мм.
1(Лишь в некоторых суставах, например в височно-нижнечелюстных, суставные поверхности покрыты волокнистым хрящом.)
Суставная капсула имеет два слоя: наружный - фиброзная мембрана и сращенный с ним внутренний - синовиальная мембрана. Синовиальная мембрана образует складки, ворсинки, а в некоторых суставах - выпячивания, сумки. Синовиальные сумки могут сообщаться с полостью сустава или быть изолированными. Располагаясь снаружи вокруг сустава в виде мягких прокладок между костью и сухожилиями мышц, они уменьшают трение. Внутренняя поверхность капсулы и суставные хрящи покрыты тонким слоем прозрачной тягучей синовиальной жидкости - синовией, выделяемой клетками синовиальных ворсинок. Она выполняет роль смазки - уменьшает трение и способствует скольжению.
Полость сустава представляет собой щелевидное пространство, ограниченное сочленяющимися поверхностями костей и суставной капсулой. Благодаря полному соответствию рельефа суставных хрящей и отрицательному давлению внутри сустава суставные поверхности костей всегда плотно прилежат друг к другу. Этому способствуют также связочный аппарат, укрепляющий суставную капсулу снаружи, и тяга мышц. Связки и сухожилия мышц составляют вспомогательный аппарат сустава. Одни связки укрепляют капсулу в местах наибольшего ее натяжения и ограничивают движение. Это тормозящие и направляющие связки. В результате неудачного движения или травмы может произойти растяжение и даже разрыв связок, следствием чего бывает смещение костей в суставе - вывих.
К добавочным вспомогательным приспособлениям сустава относятся также внутрисуставные хрящи - диски и мениски, суставные губы, внутрисуставные связки.
Если в образовании сустава участвуют две кости - это простой сустав. Сустав, образованный тремя или несколькими костями, называется сложным.
Нередко движения в двух или нескольких самостоятельных суставах происходят одновременно (правый и левый суставы нижней челюсти, суставы головки и бугорка ребра. Такие суставы называются комбинированными.
Суставные поверхности костей по форме можно сравнить с отрезками различных геометрических тел вращения (рис. 26). В соответствии с этим суставы подразделяются на шаровидные, эллипсовидные, цилиндрические, блоковидные, седловидные и плоские. Форма суставных поверхностей определяет объем и направление движений, которые совершаются вокруг трех взаимноперпендикулярных осей.
Рис. 26. Различные формы суставов (схема). 1 - шаровидный; 2 - эллипсовидный; 3 - седловидный; 4 - плоский; 5 - блоковидный; 6 - цилиндрический
Вокруг фронтальной оси производятся сгибание (флексия) и разгибание (экстензия), вокруг сагиттальной - отведение (абдукция) и приведение (аддукция), вокруг вертикальной оси - вращение (ротация). Вращение внутрь называется пронацией, а вращение наружу - супинацией.
В шаровидных и эллипсовидных суставах конечностей возможно также периферическое вращение (циркумдукция) - движение, при котором конечность или ее часть описывает конус.
В зависимости от числа осей, вокруг которых возможны движения, суставы делятся на одноосные, двухосные и трехосные (многоосные). К одноосным суставам относятся цилиндрические и блоковидные. В цилиндрическом суставе происходит вращение вокруг вертикальной оси, совпадающей с осью кости (вращение I шейного позвонка вместе с черепом вокруг зубовидного отростка II позвонка). В блоковидных суставах движение возможно вокруг одной поперечной оси, например сгибание и разгибание в межфаланговых суставах.
К двухосным суставам относятся эллипсовидные и седловидные суставы. В эллипсовидном суставе (например, в лучезапястном) совершаются сгибание и разгибание вокруг поперечной (фронтальной) оси и отведение и приведение вокруг сигаттальной оси; возможно периферическое вращение. В единственном типичном седловидном запястно-пястном суставе большого пальца возможно не только отведение и приведение, но также и противопоставление большого пальца остальным.
Двухосным считается также мыщелковый сустав. Он имеет выпуклую суставную головку, близкую по форме к эллипсу, называемую мыщелком.
К трехосным (многоосным) относятся самые подвижные суставы - шаровидные. В результате движений в шаровидном суставе происходят сгибание и разгибание вокруг фронтальной оси, отведение и приведение вокруг сагиттальной оси, ротация вокруг вертикальной оси, а также периферическое вращение. Кроме движения вокруг трех главных осей и периферического вращения, возможны движения вокруг множества дополнительных осей, проходящих через центр шаровидной головки сустава.
К многоосным суставам относятся также плоские суставы. Они имеют плоские суставные поверхности, которые рассматриваются как участки поверхности шара с бесконечно большим радиусом. Хотя движения в этих суставах совершаются вокруг многих осей, объем движений небольшой - это лишь незначительное скольжение (например, движения в плоских сочленениях между суставными отростками позвонков).
