Текст книги "Кости: внутри и снаружи"
Автор книги: Рой Милз
сообщить о нарушении
Текущая страница: 2 (всего у книги 3 страниц)
Однажды композитор Джеймс Уэлдон Джонсон[6]6
Джеймс Уэлдон Джонсон (1871-1938) – американский писатель и общественный деятель, автор песен и оперетт, историк культуры, составитель антологий негритянской поэзии и фольклора.
[Закрыть] вдохновился Книгой пророка Иезекииля и написал простую религиозную песню про кости – Dem Bones. Если бы он был специалистом по анатомии, мы, наверное, пели бы что-то невнятное и мудреное вроде «tibia соединена с patella, patella соединена с femur»[7]7
На самом деле в песне следующие слова: «кость пальца ноги соединена с костью стопы, кость стопы соединена с пяточной костью» и т. д.
[Закрыть] и т. п.
Описанное Джонсоном расположение костей характерно не только для человека. Когда я бываю в зоологическом музее, меня поражает сходство между совершенно разными видами животных, которое совсем не замечаешь в зоопарке. Сравните скелет слона и летучей мыши: стопа слона выдерживает колоссальный вес, а скелет крыла летучей мыши позволяет ей передвигаться по воздуху. Обнаженные кости демонстрируют общие принципы строения скелетов и подтверждают происхождение видов от одного предка.
Некоторые животные имеют уникальные, интересные кости, которых нет у нас с вами. Я упомяну всего пять из них. Среди пресловутых двухсот шести человеческих костей вы не найдете ни одного из этих необычных элементов скелета. Каждая из этих костей дает определенные преимущества тому виду, которому принадлежит. Будем двигаться от привычного к необычному.
Однажды после ужина на День благодарения какой-то биолог, видимо, задался вопросом: «Понятно, зачем вилочка индейки нужна людям – чтобы гадать. Но зачем она нужна самой индейке?» Даже если вы эксперт по разделке этого праздничного блюда, вряд ли вы замечали, что анатомически вилочка представляет собой слившиеся ключицы. Однако это не объясняет ее функции. Чтобы найти ответ и посмотреть на вилочку в работе, неутомимые ученые соорудили целую систему из аэродинамической трубы и рентгеновского аппарата и запустили туда скворцов.
На скелете голубя видны кости, которых нет у людей: вилочка (обведена) и плоское кольцо в каждой глазнице
Музей остеологии
Вилочки индеек и кур немного пружинят. То же самое у скворцов: когда птичье крыло при взмахе идет вниз, концы вилочки расходятся и смягчают толчок. При движении крыла вверх птица тратит меньше сил, поскольку кость возвращается в исходное положение и эффективность полета возрастает. Однако так происходит не у всех птиц. Некоторые туканы и совы не имеют вилочек и прекрасно летают, а у журавлей и соколов вилочки жесткие и не влияют на полет, но, возможно, участвуют в дыхании. Наверное, поэтому традиционным блюдом на День благодарения стала именно индейка – поджаренный тукан или журавль не дали бы нам такой радости после ужина. Вилочки были и у динозавров, в том числе у тираннозавра рекса. К сожалению, людей в то время поблизости не было, и никому не пришло в голову зажарить тираннозавра и уж тем более загадать желание на вилочке, которая от него осталась.
Длинный костный гребень паразауролофа соединялся с ноздрями и горлом и, возможно, служил резонаторной камерой для усиления издаваемых звуков
Michael Jablon, MD
Птиц роднит с древними рептилиями еще одна особенность строения их скелета – полые кости, задействованные при дыхании. Некоторые динозавры даже начали использовать кости, чтобы издавать звуки. В верхней части черепа динозавра располагался отходящий назад костный гребень. Полость в гребне соединялась с ноздрями и горлом, и воздух проходил целых три метра туда и обратно. Специалисты предположили, что это была резонаторная камера, которая позволяла животному издавать низкий, мощный рев.
Третья особая кость – плоское кольцо в глазах некоторых птиц и пресмыкающихся, в том числе динозавров. Она окружает глазное яблоко и обычно придает скелету «умный вид». Вероятно, эта конструкция помогает поддерживать форму глаза, но точно ее функцию никто не знает.
У некоторых древних птиц и пресмыкающихся, включая эту вымершую морскую рептилию (на рисунке показана нижняя часть ее скелета), были брюшные ребра. Они располагались между грудиной и тазом и были соединены друг с другом, но не с остальной частью скелета
D. W. Niven
Четвертое место нашего списка занимает группа костей в районе живота у различных доисторических птиц и пресмыкающихся, включая упомянутого тираннозавра.
В настоящее время единственными обладателями этого наследия динозавров считаются крокодилы и одно похожее на ящерицу новозеландское существо. Такая «брюшная клетка» напоминает решетку для духовки и состоит из дополнительных ребер, которые, однако, не прикреплены к остальному скелету. Она прикрывала мягкое подбрюшье животного и, вероятно, помогала ему дышать, летать или делать и то и другое.
У полевок, хлопковых крыс и ондатр (a) длина кости полового члена – около шести миллиметров. У бурундуков (b) эта кость чуть длиннее, у медведей и морских львов (c) ее размер достигает пятнадцати сантиметров, а иногда намного больше
William Henry Burt, “Bacula of North American Mammals”. Miscellaneous Publications, no. 113, May 25, 1960. Иллюстрации Уильяма Брудона. Copyright © 1960 by Regents of the University of Michigan. Перепечатано с разрешения
Никаких сомнений не возникает в отношении функции пятой особой кости: она поддерживает эрегированный половой член. Такая кость – бакулюм – имеется у различных млекопитающих: собак, кошек, енотов, моржей, морских львов, горилл и шимпанзе, – а у человека ее нет. Она позволяет увеличить продолжительность полового акта – это гарантирует воспроизводство вида в условиях, когда подходящие женские особи встречаются нечасто. Эти кости различаются и по форме (от прямой до весьма причудливой), и по размерам. Бакулюм маленьких обезьян – крохотная косточка, а у моржей и морских львов его длина достигает шестидесяти и более сантиметров. Я видел такую кость с переломом, зажившим посередине. Этому бедняге не позавидуешь! У самок этих видов животных обычно имеются кости клитора, хотя размер их намного скромнее.
* * *
В этой главе мы рассмотрели строение молекулы пролина и атомов кальция, затронув многие аспекты химии, механики и анатомии. Кости оказывают уникальные и разнообразные услуги своим владельцам. Для этого они непрерывно реагируют на химические и механические воздействия и веками соревнуются с другими скелетными поддерживающими системами. Давайте посмотрим, как кость справляется с этими задачами.
Глава 2. Жизнь кости и ее родственники
Длина большеберцовой кости младенца – около восьми сантиметров. У взрослых эта кость примерно в шесть раз больше – в зависимости от роста. В течение жизни все кости сохраняют свою уникальную форму, однако от зарождения плода в утробе матери и до завершения подросткового периода они увеличиваются по всем параметрам. Как это происходит? Растущая ветка дерева удлиняется за счет того, что на ее конце непрерывно добавляются новые клетки. Если бы большеберцовая кость росла таким же образом, она просто наращивала бы толстый хрящевой колпак и к подростковому возрасту состояла бы преимущественно из хрящевой ткани. Такая структура оказалась бы недостаточно прочной и жесткой, чтобы выдержать массу тела в вертикальном положении, не говоря уже о нагрузках при катании на скейтборде.
Мы можем только восхищаться тем, как кость растет на самом деле. Представьте, что вы надели на кончик растущей ветки маленький квадратик банановой кожуры – пусть он играет роль свободно скользящего хряща. Ветка растет, и кусочек банановой кожуры смещается вперед. То же самое происходит с костью. Хрящевой слой остается сравнительно тонким, но растущая кость, прилегающая к нему, постоянно сдвигает его вперед. Размеры костей зависят от генетики: например, высокие дети обычно рождаются у высоких родителей. Если в генах что-то идет не так, кость может получиться очень короткой или чрезмерно длинной, и тогда потребуется вмешательство ортопеда. На размеры костей влияет и питание: благодаря обилию пищи современные американцы выше, чем их сверстники двести лет назад. Наконец, за скорость развития костей отвечают гормоны. Именно они вызывают резкий скачок роста в период полового созревания.
Область под хрящом на конце трубчатой кости называют эпифизарной пластинкой, или пластинкой роста. Под действием гормонов она очень быстро образует новые костные клетки и толкает хрящ вперед, но в конце концов прекращает свою деятельность и исчезает в позднем подростковом возрасте – у девочек обычно раньше, чем у мальчиков.
На разных костях это происходит в разное время, однако последовательность всегда предсказуема, так что ортопеды и рентгенологи, взглянув на рентгеновский снимок кисти руки, могут определить возраст и степень зрелости скелета по активности эпифизарных пластинок. Для антропологов наличие или отсутствие ростовых пластинок на определенных костях считается признаком возраста человека на момент его смерти.
Эпифизарные пластинки (показаны стрелками) имеются на концах всех трубчатых костей руки этого семилетнего ребенка и обеспечивают их рост. Когда в подростковом возрасте рост костей в длину завершается, эпифизарные пластинки сливаются с телом кости
Benjamin Plotkin, MD
В периоды быстрого роста эпифизарные пластинки трудятся с головокружительной скоростью, новая кость особенно слаба и подвержена переломам. Травмы почти всегда заживают, однако в некоторых случаях необратимо повреждается сама пластинка. Последствия бывают разные и зависят от возраста человека и локализации повреждения. Если шестнадцатилетний мастер боевых искусств сломает палец кисти руки, повредив эпифизарную пластинку, кость будет всего на полтора миллиметра короче нормальной – функциональности и внешнему виду руки это ничуть не повредит. Совсем другое дело, если восьмилетний ребенок, катаясь на скейтборде, сломает бедренную кость над коленом, и ростовая пластинка прикажет долго жить. К концу подросткового периода эта нога может оказаться на целых десять сантиметров короче своей напарницы. Такой поворот событий приведет к большим физическим и психологическим проблемам.
Неприятности бывают связаны не только с внезапными переломами пластинки роста, но и с многократными травмами от ударов. Представьте девочку-гимнастку, которая еще не достигла подросткового возраста. Отрабатывая опорный прыжок, она разбегается, прыгает, отталкивается руками, переворачивается в воздухе и приземляется на ноги. Со временем из-за повторяющихся ударов крупные эпифизарные пластинки в области запястий могут отказать. Поскольку вторая кость в каждом предплечье продолжит расти, получится несовпадение длины. В результате начинают болеть руки, может возникнуть деформация костей, и это станет концом спортивной карьеры.
Самые длинные кости находятся в бедре, голени, плече и предплечье. Они имеют эпифизарные пластинки с обоих концов. Любопытно, что одна пластинка из каждой пары вносит больший вклад в окончательную длину кости, чем другая. Кости плеча и голени растут преимущественно с концов, расположенных ближе к туловищу, а кости предплечья и бедра – главным образом со стороны, которая удалена от туловища. Чтобы запомнить, какие пластинки важнее в процессе роста – и при каких травмах выше риск больших диспропорций, – ортопеды пользуются простым приемом. Представьте, что вы сидите в короткой, наполненной до половины ванне. Если положить руки на колени, над водой окажутся те места, которые вносят наибольший вклад в удлинение кости, – эпифизарные пластинки плеч, коленей и запястий. Под водой будут лодыжки и локти. Их значение в этом процессе меньше.
Нарушение баланса гормона роста в детском и подростковом возрасте может привести к чрезмерной или недостаточной стимуляции развития кости. Это существенно влияет на рост взрослого человека
A giant and a dwarf, London, 1927. Wellcome Collection, Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0)
При карликовости и гигантизме изменяется работа всех эпифизарных пластинок. Что же происходит в этих случаях? Кости млекопитающих генетически запрограммированы расти лишь до определенного размера, а потом рост прекращается. За это отвечает гормон роста, который вырабатывается в гипофизе. Если гормона роста слишком много (например, при опухоли гипофиза), ростовые пластинки проявляют бурную активность – вспомним легендарного французского борца и актера Андре Гиганта[8]8
Рост Андре Гиганта (1946–1993) составлял 2,24 м, вес – около 230 кг. Андре Гигант страдал акромегалией (эндокринное заболевание, обусловленное избыточной продукцией гормона роста).
[Закрыть]. И наоборот, недостаточная выработка гормона роста приводит к низкорослости: конечности и туловище такого человека имеют нормальные пропорции, просто меньших размеров. В качестве примера на ум приходит сказочный образ – Мальчик-с-пальчик. Назначать гормон роста невысоким детям – неоднозначное решение, но такая мера может стать мощным стимулом для эпифизарных пластинок и вернуть размеры тела в норму.
Птицы, как и млекопитающие, имеют генетически заданный предел роста кости: все взрослые воробьи, принадлежащие к одному виду, по размеру одинаковы. У рыб, земноводных и пресмыкающихся это не так. Их пластинки роста никогда не прекращают работать, и кости удлиняются всю жизнь, хотя и медленнее после достижения половой зрелости. Если рассуждать логически, можно прийти к выводу, что огромный питон, который свисает с дерева у вас над головой, уже состарился, но это верно лишь отчасти. Размер, которого достигают эти змеи, зависит не только от возраста, но и от доступности пищи на раннем этапе жизни. Если добычи много, молодой питон быстро растет, а потом этот процесс замедляется.
Чтобы выдержать нагрузку при беге трусцой, катании на сноуборде, подъеме тяжестей, кости должны расти не только в длину, но и в толщину. Эпифизарные пластинки в этом процессе не участвуют, но аналогия с веткой дерева сохраняется. Ветка превращается в толстый сук потому, что под корой добавляются все новые слои древесины – по кольцу за каждый сезон. Кости утолщаются таким же образом, только видимых годовых колец у них нет: в нормальных условиях кость растет круглый год без ускорения в летние месяцы.
Солнечный свет, хоть и не напрямую, нужен костям. Кожа закрывает кости от солнца, но вырабатывает под действием солнечных лучей витамин D. Этот полезный витамин облегчает попадание кальция из пищи в кровоток. Система напоминает структуру банка: есть деньги (кальций), служащие (витамин D), управленцы (гормоны) и даже свой Центробанк (паращитовидные железы[9]9
Паращитовидные железы – парные железы внутренней секреции, вырабатывают гормон паратирин, регулирующий минеральный обмен кальция и фосфора.
[Закрыть]). Позвольте мне описать, как все происходит.
Как вы помните, кальций – главный компонент гидроксиапатита, кристаллы которого придают кости твердость. Растворенный в воде кальций важен и для других тканей, в том числе нервов и мышц. Сердце – специализированная мышца – очень страдает, если не получает кальций в строго необходимом количестве. Если кальция слишком много, сердце начинает сильно сокращаться, если слишком мало – возникает спазм. И то и другое опасно для жизни, поэтому в организме действует точно отлаженный механизм поддержания уровня кальция в крови в узких границах нормы. Уровень кальция в крови не меняется больше чем на один-два процента, хотя, например, уровень глюкозы и углекислого газа в крови может значительно колебаться в зависимости от последнего приема пищи и частоты дыхания. Для лучшего понимания представьте, что вам нужно вести машину с одной скоростью независимо от дорожных условий. Наше сердце – капризная примадонна.
Откуда же взять кальций, чтобы постоянно радовать сердце? Если в продуктах питания достаточно кальция, то он будет поступать в организм с пищей. Однако мало кто любит круглые сутки потягивать кальциевые смузи, поэтому костям приходится работать банком этого элемента: они дают кальций в долг, выделяя его в кровоток, и забирают обратно в более благоприятной обстановке. Сотрудники банка и управленцы – витамин D и ряд гормонов – сообща заботятся о том, чтобы сердце билось легко и не останавливалось, даже если для этого приходится постепенно истощать резервы кальция в костной ткани. Когда кальция станет совсем мало, может возникнуть «банковский кризис» – остеопороз и связанные с ним переломы.
Главный гормон, отвечающий за уровень кальция, вырабатывается четырьмя небольшими, но очень влиятельными паращитовидными железами, расположенными в области шеи. Внешне они напоминают разбухшие кукурузные хлопья и прилегают к щитовидной железе примерно на полпути между подбородком и грудиной. Эту четверку можно назвать Центробанком, который надзирает за всей системой оборота кальция. Его сотрудники непрерывно отбирают пробы крови и следят за уровнем кальция. Когда возникает дисбаланс, паращитовидные железы отправляют гормоны в кишечник, почки и кости, приказывая им аккуратно скорректировать уровень кальция в ту или иную сторону, чтобы сердце продолжало биться ритмично и безотказно.
Кости в каком-то смысле соперничают с сердцем: чем больше кальция сердце получает из кишечника и других источников, тем меньше одалживает его у костей, удовлетворяя свои нужды. Советую вам чаще гулять на свежем воздухе и принимать солнечные ванны, чтобы стимулировать синтез витамина D. На эффективность выработки витамина D влияет ряд факторов: время года, возрастные изменения, пигментация кожи, использование солнцезащитных кремов. Чтобы восполнить дефицит этого витамина, производители обогащают витамином D молоко, а врач может порекомендовать специальные пищевые добавки.
Содержание кальция в костях человека достигает пика примерно к двадцати пяти годам, а затем десятилетие за десятилетием постепенно снижается. У женщин в менопаузе этот процесс резко ускоряется. Изначально позвонки представляют собой короткие цилиндры. Ослабленные с возрастом позвонки сжимаются и становятся клинообразными – это вызывает сутулость спины, или грудной кифоз. Потеря кальция приводит к тому, что у людей портится зрение, нарушается способность удерживать равновесие, человек неловко передвигается, может споткнуться и получить опасную травму. Хрупкие кости бедер и запястий ломаются, а сердце продолжает беззаботно биться, не задумываясь о том, к чему приводят его аппетиты. Оно не помнит даже того, что от прочности костного каркаса вокруг зависит его собственная безопасность: без крепких ребер, позвоночника и грудины любые объятия душили бы этот избалованный насос.
Если ребенок страдает от пищевой недостаточности кальция или витамина D, нагрузка на банк кальция возрастает. У ребенка развивается рахит: размягчаются кости, возникают боли в суставах, искривляются ноги. На заре XX века эта болезнь бушевала в трущобах промышленных районов севера Европы и США. Дым от угольных печей и заводских труб застилал небо и не пропускал ультрафиолетовые лучи на узкие улочки переполненных городов.
На фотографии 1912 года видны последствия рахита: кости, особенно те, что несут нагрузку, теряют прочность (a). В наши дни искривление костей предотвращают с помощью ортопедических скоб, которые устанавливают по бокам эпифизарных пластинок: рост кости со стороны колена со временем исправит проблему (b)
William Bulloch, Paul Fildes, N. Bishop Harman, W. Jobson Horne, Thomas Lewis, H. Rischbieth, W. C. Rivers, A. R. Urquhart, Amy Barrington, Julia Bell, Pearson, Treasury of Human Inheritance. Edited by Karl Pearson F.R.S. (London: Cambridge University Press, 1909) (a); Музей человека (b)
В конце концов ученые выяснили, что употребление в пищу сливочного масла, животных жиров и печени трески помогает избежать разрушения скелета при рахите. В 1922 году биолог из Университета Джона Хопкинса обнаружил в этих пищевых продуктах соединение, которое предотвращает и лечит эту болезнь. Так был открыт витамин D.
* * *
Пришло время посмотреть, как кости сами себя ремонтируют. Сердце, этот простой насос, на такое не способно: если оно переживет инфаркт, поврежденная область зарастет шрамом, который может нарушить работу сердечной мышцы, а кость после травмы, нагрузки и даже перелома полностью себя исцеляет, причем без всяких шрамов.
Я уже говорил, что кость, в отличие от построенного моста, может увеличить свою несущую способность. Как ей удается совершить такое крайне полезное чудо? Вы познакомились с остеобластами – это клетки, которые формируют костную ткань. Их антиподы – клетки-остеокласты. «Остео» в их названии, конечно, означает «кость», а «класт» переводится как «ломать». По сути, это разрушители костей. Если продолжить аналогию с банком, остеокласты – это воры, которые трудятся не покладая рук, когда их главарю, сердцу, нужна доза кальция. Еще остеокласты берутся за дело всякий раз, когда кость испытывает нагрузку.
Давайте присмотримся к этому удивительному процессу. Внутри костной ткани остеокласты и остеобласты образуют скопления – так называемые режущие конусы. Каждый из них можно сравнить с гигантским проходческим щитом, прокладывающим туннели метрополитена. За щитом следуют необходимые материалы и оборудование, которые укрепляют стены туннеля плотным бетонным покрытием. Если возникает трещина, можно раз за разом наносить новые слои – до тех пор, пока проход не станет слишком узким для поездов. У человека таких микроскопических щитов многие миллионы – все они поддерживают прочность кости и реагируют на механические нагрузки, воздействующие на наш скелет. На кончике конусов находятся разрушающие кость остеокласты, которые непрерывно бурят в кости крохотные проходы. За остеокластами тянутся остеобласты – они покрывают стенки концентрическими слоями новой костной ткани с перекрещивающимися волокнами коллагена. Этот принцип напоминает изготовление фанеры, только появился за миллионы лет до ее изобретения.
Когда выстилка костного туннеля завершена, посередине остается лишь узкий центральный канал. При жизни через этот канал проходят мелкие кровеносные сосуды, которые питают клетки костной ткани, расположенные между слоями. Эти каналы открыл в 1691 году британский врач Клоптон Гаверс – он разглядел их под лупой и описал в книге с пространным названием «Новая остеология, или Некоторые новые наблюдения относительно роста и питания костей». Сегодня мы заслуженно называем эти полости гаверсовыми каналами.
Под микроскопом видно, что компактная костная ткань состоит из множества цилиндров, диаметр которых примерно в три раза больше толщины человеческого волоса. Эти цилиндры образованы концентрическими слоями кости вокруг центрального канала. Через каждый центральный канал проходят кровеносные сосуды, которые снабжают питательными веществами окружающие канал клетки (маленькие черные точки на фото)
Shutterstock.com
Режущие конусы не только формируют новую многослойную кость, но и постоянно восстанавливают и перестраивают старую. Представьте, что раскаленный докрасна камень падает на поверхность замерзшего пруда. Он растопит дыру и утонет, а вода снова замерзнет – получится пробка из свежего льда. Если продолжить разбрасывать камни, весь ледяной покров в конце концов обновится – некоторые пробки будут по нескольку раз меняться частично или полностью, в зависимости от места падения камней. На микроскопическом уровне процесс ремоделирования костей происходит в нашем организме непрерывно: дыры появляются и зарастают, снова возникают и снова заполняются. Однако, в отличие от случайно падающих на лед раскаленных камней, режущие конусы направляются именно туда, где кость нуждается в укреплении. Но откуда они знают направление?
