Борис Сергеев
Как устроен человек
Кости, мышцы и индивидуальная ниша
«Арматура»
Стальной каркас железобетонных сооружений называют арматурой. Она предназначается для укрепления возводимых сооружений. Для человеческого тела арматурой служит костный скелет – совокупность костей, создающих опору телу человека и животных и отдельным его частям. Это важнейшая часть человеческого тела. Важнейшая хотя бы потому, что вес скелета составляет 1/5-1/7 веса тела. Если вес взрослого человека достигает 75 килограммов, его кости весят от 11 килограммов до одного пуда (16 кг). Немалый груз, но с ним приходится мириться, так как на скелет возложено несколько важнейших функций. Одна из них – создание каркаса, удерживающего органы нашего тела на предназначенных им местах. При этом он еще и защищает их от внешних воздействий, причем чем орган важнее, тем надежнее его защита. Рёбра и грудина вместе с позвоночником образуют «корзину» для сердца и легких. Она не обеспечивает надежной защиты этих органов от острых, колющих предметов: в промежутки между прутьями «корзины» легко проникнет штык или нож. Другое дело – череп. Он полностью изолирует наш мозг от внешней среды.
Таковы два важнейших предназначения скелета. Третье, не менее важное, состоит в том, что скелет создает опору для костей конечностей и систему рычагов, позволяющую их обладателю производить целенаправленные движения и перемещаться в пространстве.
Кости состоят из белков, воды и минеральных веществ. В костях содержится до 98 % всех минеральных веществ организма. Больше всего, около 1200 граммов, в них кальция, фосфора – 530, а магния 11 граммов. Остальные – медь, стронций, цинк, бериллий, алюминий и еще 25 элементов – содержатся совсем в ничтожных количествах. Несмотря на прочность, кости всю нашу жизнь перестраиваются. Если организм испытывает нужду в каких-нибудь неорганических веществах, он черпает их из костей, что, конечно, самим костям на пользу не идет. Материнское молоко должно содержать много неорганических веществ, ведь грудной ребенок быстро растет, и его кости нужно из чего-то создавать. Однако сами женщины чаще всего не успевают получать эти вещества в достаточных количествах из пищи, и их приходится брать взаймы у костей. Вот почему в этот период их кости теряют свою обычную прочность.
За время пребывания на орбите теряют неорганические вещества и кости космонавтов, но уже но другой причине.
Там, в невесомости, исчезает обычная нагрузка на кости и нет необходимости сохранять их изначальную прочность. Поэтому кости просто освобождаются от веществ, ставших на данный момент лишними.
Костный белок – тоже важная часть костей. Далеко не все знают, что его в костях не так уж и мало. О том, что белок входит в состав костей, убедительно свидетельствуют некоторые животные, для которых кости являются основной пищей. Это орел бородач, живущий в горах Памира. Он способен проглатывать целиком даже длинные кости. Пожирателями костей являются африканские и азиатские гиены, способные своими мощными челюстями разгрызать полые кости крупных животных. Именно костное вещество, ого белок, а не костный мозг, как думали раньше, является их основной пищей.
Как вы думаете, сколько в нашем теле костей? Оказывается, на этот вопрос не сможет ответить ни один даже самый квалифицированный анатом. Медики древнего Тибета считали, что их 360. С течением веков, набравшись опыта, ученые существенно уменьшили эту цифру. Если судить по «Кодексу здоровья», написанному в Солерно (Италия) в XIV веке, их в нашем организме 219. По современным представлениям их около двухсот: позвоночник – 26; мозговой череп – 8; лицевой череп – 14; подъязычная кость, ребра, грудина – 26; верхние конечности – 64; нижние конечности – 62.
Дело в том, что количество костей в организме разных людей неодинаково. Кроме того, раньше к костям причисляли хрящи и другие твердые образования человеческого тела, например ногти и зубы.
Китайцы почему-то не могли на ощупь сосчитать количество ребер, а вскрывать умерших людей в те времена запрещалось, и, как ни странно, считали, что у мужчин их 12 пар, а у женщин – 14.
Путаников и в те времена было сколько угодно. Аристотель, величайший ученый всех времен и народов, почему-то считал, что у мужчин зубов больше, чем у женщин. А посчитать их было совсем нетрудно.
Немалое значение в путаницу с числом костей внесло действительно частое различие в их количестве. В швах костей черепа некоторых людей встречаются крохотные вставочные кости. Различия встречаются и в количестве других костей. Одни различия связаны с возрастом. Нижняя челюсть у детей до года состоит из двух костей, а позже они срастаются в одну кость. Из трех частей состоят у детей трубчатые кости. Их головки отделены от средней части кости хрящевыми прослойками, окостеневающими лишь к 20–25 годам. Они принимались анатомами прошлых веков за три самостоятельных кости. Количество других костей, например копчиковых, с возрастом не меняется, но их может быть и 3, и 4, и 5.
Может ли человек стать гигантом?
Вскоре после окончания Великой Отечественной войны в нашей стране и во всем мире начался процесс акселерации: ускоренное развитие детей и увеличение их роста. Дети стали вырастать более высокими, чем были их родители. Скачки увеличения роста людей происходили и в более отдаленные времена. В этом можно убедиться, побывав в Рыцарском зале Эрмитажа в Петербурге, где выставлены рыцарские доспехи эпохи крестовых походов.
Кажется, что большинство из них предназначались подросткам. Для современных людей они явно маловаты. На самом деле, их носили взрослые мужчины. Ясно, что в то время люди были не такими большими. Давайте попробуем разобраться, что произойдет с людьми, если вспышки акселерации будут возникать снова и снова. Не случится ли так, что через сотни тысяч или миллионы лет люди превратятся в чудовищно больших великанов? Возможно ли значительное увеличение размеров животных и человека?
Органы тела животных и человека нуждаются в опоре. Для позвоночных животных опору создают кости скелета, которые должны обладать достаточной прочностью, чтобы они не только не рухнули под тяжестью тела, но даже могли выдерживать толчки, возникающие при движении, особенно при стремительном, и противостоять силам, вызывающим изгибы и скручивания. Однако для животных, обладающих высокой подвижностью, тяжелый скелет неприемлем. Он не только уменьшит расторопность и подвижность, но и потребует непомерно больших энергетических затрат. Вот почему размер и устройство скелета зависит от того, что для животного важнее: чтобы его скелет обладал высокой прочностью или уступал в прочности, но зато был легким.
Естественно, что у маленьких животных и скелет бывает миниатюрным. А как должен измениться скелет этого существа, чтобы он по-прежнему мог выполнять свои функции, если оно вдруг подрастет и станет значительно больше? Должен ли его скелет увеличиться, и насколько? Давайте попробуем это выяснить. Для простоты подсчетов предположим, что наше животное имеет прямоугольную форму длиной 5 сантиметров, шириной 2 сантиметров и высотой 3 сантиметра, а весит 30 граммов, то есть вес 1 кубического сантиметра нашего зверя равен 1 грамму. Когда же наше животное выросло, все его размеры увеличились в два раза. Теперь его длина достигла 10 сантиметров, ширина – 4, а высота – 6 сантиметров, и весить оно стало 240 граммов, то есть его вес увеличился в 8 раз. Это значит, что увеличение в два раза толщины, точнее площади поперечного сечения костей, недостаточно для сохранения его надежности. Чтобы компенсировать увеличение веса, площадь поперечного сечения костей тоже должна увеличиться в 8 раз. При этом их диаметр увеличится в 2,8 раза.
Теперь проанализируем, что получится, если наш предполагаемый зверь будет расти и дальше.
Скелет – самая тяжелая часть тела, так как кости гораздо тяжелее мягких тканей. Поэтому при увеличении размера и веса тела животного вес его костей будет увеличиваться намного быстрее, чем мягких тканей, и очень Скоро обгонит его в весе. Это значит, что существует предел, при котором дальнейшее увеличение будет невозможным. Следовательно, у людей еще есть резерв для увеличения своего роста, и не исключено, что со временем люди станут выше, шире в плечах и тяжелее, но, живя на планете Земля, наши потомки никогда не станут огромными великанами вроде Кинг Конга. Другое дело, если они освоят Луну, притяжение которой в 6 раз меньше земного, или будут жить в невесомости, тогда они смогут стать крупнее нас, но уже никогда не вернутся на Землю. Здесь, на нашей планете, кости гиганта с Луны не выдержали бы веса тела и его тяжестью были бы разрушены.
«Шарниры»
Положите на стол кирпич и попробуйте, не поднимая, передвинуть, его на полметра. Окапывается, для этого нужно приложить известную силу. Движению кирпича препятствует трение, возникающее между его поверхностью и поверхностью стола. На преодоление трения и затрачивается сила, которую приходится прикладывать к кирпичу, чтобы его сдвинуть. Величина этой силы зависит, во-первых, от того, насколько шероховаты трущиеся поверхности, а во-вторых, от веса кирпича.
Подобным же образом трение возникает в шарнирах человеческого тела – в суставах наших конечностей, препятствуя их движению.
Трение можно существенно уменьшить с помощью смазки. Налейте на стол немного воды и убедитесь, что по мокрой поверхности передвигать кирпич станет легче. А если вместо воды использовать какое-нибудь масло, кирпич заскользит по столу совсем легко. Природа позаботилась о смазке поверхностей суставов, но если из-за какого-либо заболевания количество или характер жидкости, предназначенной для смазки, существенно меняется, движение в суставе окажется затруднено. И любое движение в суставе будет теперь сопровождаться болевыми ощущениями, обычно достаточно сильными.
Суставы млекопитающих, в том числе человека, устроены таким образом, чтобы силу трения свести до минимума. Вот почему поверхности соприкасающихся костей имеют такую форму, которая наиболее удобна для их движения, да к тому же они покрыты слоем хряща, имеющего очень гладкую поверхность. Сустав окружен капсулой – так называемой суставной сумкой. Она удерживает соприкасающиеся поверхности костей сустава в необходимом положении. Полость суставной сумки заполнена суставной жидкостью, предназначенной для смазки соприкасающихся поверхностей костей.
Жидкость, заполняющая все щели суставной сумки, по своему составу напоминает плазму крови, но в ней меньше белков и присутствуют длинные молекулы гиалуроновой кислоты, которые придают этой жидкости особые удивительные свойства. В нормальном состоянии она обладает значительной вязкостью, что должно было бы серьезно затруднять движение сочлененных костей сустава. Однако во время их движения вязкость этой жидкости резко снижается. Снижение вязкости зависит от скорости движения. При быстрых движениях она уменьшается в 5 тысяч раз! Это свойство суставной жидкости помогает удерживать наши конечности в неподвижном состоянии и не мешает совершать быстрые движения.
Если на плоскую поверхность стекла или металла поместить каплю воды, а сверху на нее поставить выпуклую стеклянную линзу, ее не трудно будет так прижать к плоской поверхности, что в месте их соприкосновения из-под линзы будет выдавлена вся вода. Другое дело, если вместо воды взять каплю глицерина. В этом случае, чтобы полностью выдавить его из-под линзы, придется затратить значительные усилия. Когда с этой же целью испытывали внутрисуставную жидкость, то выяснилось, что выдавить ее из-под линзы практически не удается. Между линзой и подлежащей плоской поверхностью будет всегда оставаться тончайшая пленочка жидкости. Мало того, оказалось, что внутрисуставная жидкость обладает упругими свойствами. Когда давление на линзу ослабевает, прежняя форма жидкости восстанавливается, толщина пленочки, образованной ею под линзой, увеличивается, и линза чуть-чуть приподнимается над поверхностью.
Когда на гладкую металлическую поверхность попадает масло, на ней образуется тоненькая масляная пленочка, которую очень трудно удалить полностью. Оставаясь на соприкасающихся поверхностях, такая смазка действует в течение долгого времени, резко снижая трение в движущихся частях различных машин и механизмов.
Казалось бы, для определения силы трения необходимы сложные приборы. На самом деле для этого годятся достаточно простые приспособления, которые способен изготовить любой школьник. О силе трения, или, вернее, о качестве смазывающего вещества удобнее всего судить по скорости затухания качательных движений маятника. Для этого годится любой маятник, в том числе от старых часов-ходиков. Капнув на ось маятника испытуемое вещество, нужно придать маятнику горизонтальное положение и, опустив его, сосчитать, сколько раз он качнется до полной остановки. Потом, тщательно удалив остатки использованной смазки, капнуть на ось новым смазывающим веществом и повторить опыт.
Когда смазывающий эффект внутрисуставной жидкости проверили подобным образом, неожиданно оказалось, что она снижает трение хуже многих смазывающих масел. Ученые вычислили, что с помощью такой смазки сустав должен был бы работать гораздо хуже, чем он работает на самом деле, но им удалось разгадать секрет совершенства суставов. Оказалось, что все дело в суставных хрящах, имеющих губчатое строение, так как они пронизаны бесчисленными микроскопическими порами, заполненными внутрисуставной жидкостью. Поэтому, мало того, что из-за особых свойств этой жидкости она не только не выдавливается из-под соприкасающихся поверхностей костей, а наоборот, благодаря пористости хрящей при сильном давлении костей друг на друга выдавливается из их толщи, тем самым увеличивая толщину смазывающей пленки.
К сожалению, инженерам пока не удалось создать аналогичного технического устройства, при котором, чем больше давят друг на друга трущиеся поверхности, тем толще между ними пленочка смазывающего вещества. Это изобретение природы предстоит, по-видимому, использовать следующим поколениям инженеров-конструкторов.
