100 великих тайн человека
Однако когда ученые присмотрелись к этому образованию более внимательно, то обнаружили массу любопытных фактов. Во-первых, выяснилось, что с «X-структурой» связано огромное, совершенно не соответствующее ее размерам, количество нервных волокон. Во-вторых, оказалось, что кроме множества нервов, не меньше в ней и кровеносных сосудов: почти столько же, сколько и в головном мозгу.
Когда же ученые провели пространственную реконструкцию крестовидной связки, то выяснили еще более удивительные ее особенности. Например, что каждая связка состоит из пучка более мелких волоконец, отделенных друг от друга соединительной тканью. При этом в каждом пучке находятся собственные сосуд и нервы. А таких мелких пучков в каждой связке от 12 до 16 штук.
Но и это еще не все. Дальнейшие исследования показали, что каждый из этих фрагментов состоит из нескольких десятков еще более тонких связочек, к которым подходят нервные окончания.
То есть крестообразный комплекс – это, своего рода, уникальный и очень точный датчик с множеством различных типов рецепторов. Он состоит из рецепторов давления, кручения, сжатия, а также из свободных нервных окончаний. Всего таких чувствительных образований около 300 в каждой связке. И, как показывают исследования, такого огромного количества рецепторов не имеет ни один человеческий орган.
В обыкновенной коленке кровеносных сосудов почти столько же, сколько и в головном мозге
Полученные в ходе экспериментов сведения позволили ученым более полно определить те функции, которые этот супердатчик выполняет в колене. Оказалось, что в основном они сводятся к регулированию всех нагрузок, которые испытывают в данный момент конечность и сустав.
А осуществляет эту работу головной мозг, в котором крестовидная связка представлена отдельным участком нейронов. Любая нагрузка, которой подвергается колено, моментально проверяется, насколько она сильна и опасна. Для этих целей в крестовидной связке находятся сверхпроводящие волокна, обеспечивающие моментальную передачу сигнала от «Х-комплекса» в мозг. Что это действительно так, свидетельствуют следующие данные: так, если в обычных волокнах скорость передачи сигнала от 40 до 80 метров в секунду, то в сверхпроводящих она больше 180 метров в секунду.
Таким образом, в колене человека обнаружена особая система рецепторов, которые контролируют не только нагрузку на нижние конечности, но и принимают деятельное участие в координации движений, а также совместно с вестибулярным аппаратом, кожей и зрением обеспечивают равновесие тела в пространстве.
Правда, более детальное устройство и точный механизм функционирования этой уникальной системы до сих пор не исследованы. И, возможно, она в будущем преподнесет биологам еще немало открытий…
Видимо, попутно следует обратить внимание еще на одно уникальное устройство, которое находится в наших ногах. Начнем же со статистики, которая утверждает, что от колыбели до катафалка мы успеваем сделать в среднем 150 миллионов шагов, проделав при этом путь в 100 тысяч километров. Осуществляют же эту работу в основном ноги и главная их часть, так сказать, оплот и опора – ступня. Ею мы отталкиваемся, на нее опираемся, на нее приземляемся во время прыжков.
Она состоит из 26 костей, 114 связок и 20 мышц. Основу же этого шедевра составляют кости. Они – это каркас, который крепит всю конструкцию. В него включены 7 костей предплюсны, 5 костей плюсны и 14 костей пальцев. Они образуют два свода, вложенных один в другой. Вдоль ступни, как мостик, протянулся ее продольный свод, а в предплюсне сформировался еще и поперечный свод. А чтобы все эти косточки нормально работали, их обволакивают многочисленные крепкие мышечные волокна и связки. Именно пружинящий свод стопы является исключительно человеческим приобретением. Даже прыгучие кенгуру и тушканчики обходятся без него.
Известно, что при каждом шаге весь наш вес в какой-то момент времени приходится на самый краешек пятки. Состоит она из соединительной и жировой ткани, напоминая мягкую подушечку. Именно пятка и смягчает толчки и удары, от которых наше тело сотрясалось бы при беге и ходьбе.
При ходьбе наша ступня испытывает давление, равное весу тела. Когда же мы начинаем бежать или прыгаем, испытываемые ступней нагрузки уже в 2–3 раза превышают вес нашего тела.
Но ступня может выдержать и не такое. Так, когда конькобежец, разогнавшись до 60 километров в час, минует вираж, на его ноги приходится нагрузка до 1300 килограммов.
Конечно, в этот момент его ногам не позавидуешь. Впрочем, как и всем остальным частям тела. Если бы не рессорные свойства свода стопы, бег и прыжки могли бы запросто привести к летальному исходу. Ученые подсчитали, что благодаря тому, что стопа имеет сводчатое строение, во время различных движений ног гасится 70 процентов перегрузок. И хотя в меньшей степени, но позвоночник, коленный и тазобедренный суставы тоже гасят ударное ускорение.
Но когда эта уникальная конструкция нарушается, – а происходит это при плоскостопии, – нашему организму приходится туго. Не погашенные сводом стопы нагрузки на суставы увеличиваются, и они быстрее изнашиваются. Достается и мозгу. И, чтобы создать дополнительную пружину-амортизатор для его защиты, начинает искривляться позвоночник.
Но не только амортизационные свойства ступни вызывают у нас удивление и восхищение. Оказывается, ступня – это еще и своеобразный микрокомпьютер, который управляет движением всей огромной машины, именуемой человеческим телом.
Так, стоит нам остановиться на месте, как незаметно для самих себя мы начинаем покачиваться. Наше тело клонится то вперед, то назад, то вбок. И пусть эти отклонения совсем незначительные, они все равно смещают центр тяжести. Всякий раз ступня должна уловить это малозаметное смещение и компенсировать его, иначе нам грозит немедленное падение.
Еще сложнее стопе заботиться об устойчивости человека во время ходьбы или бега. Любая неровность, на которую опустилась бы стопа, могла бы закончиться для нас приземление на… нос.
Многие сотни нервных рецепторов, расположенных на подошве наших ног, заботятся о том, чтобы этого не случилось. Они постоянно обеспечивают мозг самой подробной информацией о положении ног. Он же в свою очередь шлет бессознательные нервные импульсы, побуждающие мышцы ног и ступни молниеносно корректировать свое положение.
Но вот как умудряются наши мышцы молниеносно реагировать на поступающие сигналы, корректируя положение тела в пространстве? – еще один вопрос, на который наука пока не нашла ответа.
«БЫСТРЫЕ» И «МЕДЛЕННЫЕ» МЫШЦЫ
Среди спортсменов-бегунов выделяют спринтеров и стайеров, или, соответственно, бегунов на короткие и длинные дистанции. Причем обычно те, кто хорошо справляется с короткими дистанциями, как правило, не блещут результатами на длинных и, наоборот.
Связано это с тем, что у спринтеров и стайеров мышечные волокна различаются по структуре. Например, у бегунов на короткие дистанции преобладают так называемые быстро сокращающиеся волокна, которые работают за счет анаэробных химических реакций – реакций, происходящих без кислорода.
Так, у шестикратного олимпийского чемпиона 1988 года Карла Льюиса в мышцах ног таких волокон больше 70 %. Поэтому в беге на короткие дистанции он развивал головокружительную скорость – 45 километров в час. Но при анаэробных реакциях уже через полторы сотни метров в тканях происходит накопление молочной кислоты, и темп бега замедляется.
Карл Льюис в беге на короткие дистанции развивал рекордную скорость – 45 километров в час
Бегуны, отличившиеся на длинных дистанциях, наоборот, имеют высокий процент медленно сокращающихся аэробных волокон, которые не вырабатывают молочной кислоты. На финишной прямой эти волокна обеспечивают необходимый для победы рывок за счет дополнительной энергии из анаэробного «топлива». Если же в марафонском беге спортсмен чувствует усталость перед финишем, – это значит, что он слишком рано начал ускоренное движение, и ему стала мешать образовавшаяся в тканях молочная кислота.
Исследования последних десятилетий, проведенные учеными в лабораториях разных стран, показали, что разделение мышечных волокон на «быстрые» и «медленные» связано с их конкретными молекулярно-биологическими различиями.
При этом не только типом обмена веществ различаются эти мышцы. Как и любые разные клетки человеческого организма, они разнятся еще и тем, что в них образуются разные изоформы белков. Изоформы же – это различные формы одного и того же белка, которые имеют небольшие различия в структуре и свойствах, но выполняют одинаковые функции.
Так вот, в «быстрых» мышцах образуются в основном «быстрые» изоформы одного из двух основных мышечных белков – миозина; а в «медленных» – «медленные» формы этого белка.
А поскольку сокращение мышц происходит за счет взаимодействия молекул актина и миозина, а скорость и ряд других особенностей сокращения зависят как раз от преобладания соответствующих изоформ миозина, то и волокна без всяких дополнительных условий можно называть «медленными» или «быстрыми».
В волокнах медленных мышц у большинства животных, а также у человека содержится больше митохондрий. Благодаря этим клеточным органеллам они лучше адаптированы к продолжительной работе, то есть работе на выносливость.
А вот в быстрых волокнах происходит в основном анаэробный обмен веществ, поэтому они и развивают большую скорость и мощность сокращений.
В 80-е годы прошлого века большинство ученых были уверены, что соотношение быстрых и медленных волокон у каждого человека зависит от структуры его генетического аппарата, то есть связано с наследственностью, а значит, постоянно. Действительно, как бы ни тренировались атлеты, доля волокон медленного и быстрого типов у них почти не менялась. Именно это предположение долгое время лежало в основе тестов по отбору перспективных спортсменов: у них прямо или косвенно определяли соотношение волокон в мышцах.
Однако с помощью более точных методов исследования удалось установить, что в ходе постоянных тренировок на выносливость появляются так называемые гибридные волокна, включающие в работу как медленный, так и быстрый миозин. Кроме того, во время этого процесса увеличивается и количество волокон медленного типа.
И если мышцу в режиме выносливости заставить работать продолжительное время, например, большую часть суток, то такие изменения в соотношении медленных и быстрых волокон могут оказаться довольно значительными.
Этого можно достичь также с помощью токов относительно низкой частоты и интенсивности, которые будут постоянно стимулировать саму мышцу или ее нерв. В этой ситуации и у животных, и у человека очень быстро, в течение одной-двух недель часть «быстрых» волокон приобретала свойства волокон медленного типа.
Естественно, ученых не мог не заинтересовать вопрос о том, как генетический аппарат мышечного волокна «узнает» о столь продолжительном сокращении.
Дело в том, что в цитоплазме мышечных волокон и других клеток ученые выявили наличие особого белка кальцинейрина, который взаимодействует с ионами кальция. В свою очередь, физиологам давно известно, что именно резкий выброс ионов кальция из внутриклеточных цистерн запускает всякое мышечное сокращение, которое осуществляется благодаря взаимодействию белков актина и миозина.
Сигналом для этого процесса является электрический импульс, который из мозга через отростки нервных клеток подается на мышечное волокно. Резкое же повышение уровня кальция в цитоплазме позволяет ему эффективно связываться с кальцинейрином. Он же, в свою очередь, активирует молекулы специальных белков, которые без особых проблем проникают в ядро мышечной клетки и ускоряют в ней синтез мРНК, кодирующей медленные изоформы миозина.
Таким образом, весь этот процесс начинает активно функционировать, когда количество кальция в цитоплазме клеток становится больше некой пороговой величины.
Когда же в ходе постоянных тренировок этот цикл многократно повторяется, то это приводит к накоплению в мышечном волокне медленных белков миозина, и оно со временем из быстрого превращается сначала в гибридное, а затем и в медленное.
Это всего лишь один из возможных механизмов. Принципиальны здесь два момента. Имеется пусковой фактор, непосредственно вовлеченный в процесс мышечного сокращения (в данном случае – резкое повышение концентрации ионов кальция), и молекула, специфически воспринимающая изменения этого фактора (в данном случае – кальцинейрин) и воздействующая на механизмы экспрессии генов.
УДИВИТЕЛЬНАЯ СКЕЛЕТНАЯ МЫШЦА
Скелетные, или поперечно-полосатые мышцы – один из видов мышечной ткани, которая сокращается под воздействием нервных импульсов. Они формируют скелетную мускулатуру человека и животных, с помощью которой выполняются самые разные действия: движения тела, сокращения голосовых связок, дыхание.
Для обеспечения точных механических движений в скелетных мышцах находится огромное количество рецепторов, посылающих в головной мозг сигналы о том, каково состояние этих мышц, степень их напряженности, о положении тела в пространстве и т. д. То есть скелетные мышцы вместе с сухожилиями являются гигантской чувствительной системой человека.
Но, кроме всего прочего, скелетная мышца выделяет еще и тепло. Именно по этой причине великий русский физиолог И.П. Павлов назвал ее «печкой», которая согревает наш организм.
Благодаря столь важным и разнообразным функциям, которые выполняют скелетные мышцы в организме, уже многие десятилетия их разносторонне и тщательно исследуют биологи и медики самых разных специальностей. Однако до сих пор эти структурные образования содержат в себе еще немало загадок…
Скелетные мышцы до сих пор тщательно изучаются учеными-медиками
Вот, к примеру, одна из них. Так, если у кролика извлечь икроножную мышцу, измельчить ее и полученную суспензию поместить на прежнее место, то через какое-то время из этой бесструктурной смеси сформируется новая икроножная мышца, почти идентичная прежней.
Другая удивительная особенность скелетных мышц связана с механизмом их функционирования. Физиологам давно известно, что, когда те или иные органы испытывают нагрузку, к ним увеличивается приток крови: например, к органам пищеварения – после еды, а к мозгу – при решении сложной задачи.
Такое повышенное снабжение органов кровью называется гиперемией. И связано оно с расширением сосудов. Соответственно, и повышенный приток крови к скелетным мышцам тоже стали объяснять теми же причинами, то есть расширением сосудов. Но такому взгляду на это явление противоречили некоторые экспериментальные данные.
Так, в ходе одного из экспериментов было установлено, что если мышца находится в покое, то крови через нее проходит мало. Однако при раздражении мышечного нерва электродами количество протекающей через мышцу крови увеличивается в десятки раз.
Объяснить это явление исключительно расширением сосудов невозможно по ряду причин.
К примеру, при различных видах сокращения, особенно длительных, давление мышцы на находящиеся в ней кровеносные сосуды возрастает до 300–400 мм рт. ст. и даже более. В то же время давление внутри самих сосудов, например, внутри вен, равняется 3–5 мм рт. ст., в капиллярах – 10–20 мм рт. ст., в артериях – 120 мм рт. ст. То есть внешнее давление на стенки сосудов в несколько раз больше, чем давление внутри самих сосудов. А это значит, что в результате такой разности давлений просвет во внутримышечных сосудах должен значительно уменьшиться и тем самым воспрепятствовать кровоснабжению мышцы. Но, тем не менее, все происходит вопреки логике: кровоток не только не останавливается, но даже увеличивается.
Чтобы объяснить этот парадокс, была выдвинута так называемая вибрационная гипотеза кровеобеспечения скелетных мышц. В ее основе лежат два факта. Во-первых, известно, что скелетная мышца состоит из множества тонких волокон, каждое из которых, а это уже, во-вторых, под влиянием поступающих из головного мозга импульсов быстро сокращается и расслабляется. Причем процесс этот происходит асинхронно, то есть в то время как одни волокна находятся в напряженном состоянии, другие – в расслабленном. При этом все эти процессы происходят настолько быстро, что волокна постоянно вибрируют, словно струны на гитаре.
В свою очередь, эта вибрация воздействует на капилляры, расположенные вдоль мышечных волокон. И именно благодаря ей, кровь и перемещается из сосудов с большим давлением в сосуды с меньшим давлением.
Тот факт, что каждая скелетная мышца активно участвует в перемещении крови от сердца к органам, подтвердили многочисленные эксперименты. Например, опытным путем было установлено, что в состоянии покоя давление крови, вытекающей из открытой вены, совсем небольшое. Однако при раздражении скелетной мышцы или, когда она находилась в работе, при пережатом венозном сосуде давление поднималось до максимального значения в 120 мм рт. ст., а позже и превышало его более, чем в два раза!
Затем, в ходе более тщательных экспериментов было установлено, что на пути от сердца к органам находится еще один насос, который, принимая в себя кровь под значительным давлением, проталкивает ее дальше с еще большей силой. При этом по своим способностям нагнетать и проталкивать кровь скелетная мышца порой превышает давление, создаваемое центральным «насосом» – сердцем, и, следовательно, является его важным помощником. А поскольку в организме человека находится более 600 скелетных мышц, то их роль в обеспечении циркуляции крови в теле довольно значительна.
Именно благодаря этим своим особенностям скелетные мышцы и получили название «периферических сердец».
Но скелетная мышца, помимо свойств нагнетательного, демонстрирует еще и функции присасывающего насоса. То есть если давление поступающей в скелетную мышцу крови снизится, то скелетная мышца начнет присасывать к себе кровь, а затем проталкивать ее в вены с намного большей силой.
В эксперименте скелетная мышца демонстрировала еще одно свое удивительное свойство. Для этого сначала из тела извлекали икроножную мышцу и соединяли ее сосуды (артерию и вену) с искусственным кругом кровообращения, состоящим из стеклянных и резиновых трубок, заполненных кровью или замещающей ее жидкостью. Затем мышцу с помощью электрических импульсов заставляли сокращаться. В результате она приводила в движение кровь по искусственному кругу кровообращения. А ведь, казалось бы, эта особенность присуща исключительно сердцу.
На основании этих и других экспериментов ученые пришли к выводу, что скелетная мышца по своим функциональным особенностям является самым настоящим «периферическим сердцем». В опытах было показано, что она может работать даже тогда, когда в искусственном круге отсутствует напор крови: она перекачивает кровь внутри себя и прогоняет ее дальше.
Вот такими удивительными и до конца еще не изученными особенностями обладает скелетная мышца – миниатюрное периферическое сердце человека.
Удивительная и загадочная кожа
ЧУДО-ЖЕЛЕЗА
Кожа, которая составляет в среднем около 20 процентов от массы человеческого тела, выполняет самые разные функции: она играет важную роль в дыхании, регуляции температурного режима, синтезе ферментов и медиаторов, в реакциях обмена, освобождении организма от вредных веществ и излишней воды.
Так, в нормальных условиях в течение суток через кожу выделяется около 650 граммов воды и приблизительно 10 граммов углекислоты. А при усиленном потоотделении, например, во время занятий физической культурой или во время некоторых заболеваний, объем выделяемой углекислоты и влаги возрастает в несколько раз. Порой в течение часа кожа может выделить от 1 до 3,5 литра пота, что равносильно выведению из тела 2500–8700 килоджоулей тепла.
О том, что кожа принимает активное участие в процессах дыхания, медики знали еще во времена Леонардо да Винчи. Теперь же установлен еще более любопытный и удивительный факт. Заключается он в том, что единица кожной поверхности поглощает кислорода больше, чем единица поверхности легочной ткани. Более того, кожа, вернее, эпидермис полностью обеспечивает себя кислородом непосредственно из окружающего воздуха, то есть кожа дышит в прямом смысле этого слова.
Кожа выполняет и защитную функцию. При этом одни ее структуры обеспечивают защиту от проникновения внутрь микроорганизмов, другие – от ультрафиолетовой радиации, третьи – нейтрализуют кислоты, щелочи и прочее.
Кроме того, кожа выполняет еще и кровезапасающую функцию, то есть является своеобразным кровяным депо. В некоторых случаях расширенные сосуды кожи могут вместить более одного литра крови. А учитывая тот факт, что объем всей циркулирующей в организме крови равняется 5 литрам, это не так уж и мало.
Человеческая кожа не просто дышит. Единица кожной поверхности поглощает кислорода больше, чем единица поверхности легочной ткани
Кожа находится в тесном взаимодействии со всеми внутренними органами, эндокринными железами, в частности, с гипофизом и надпочечниками, а также – с соединительной тканью. Она выделяет тепло и различные ионы. Кожные вытяжки воздействуют на организм так же, как стимулирующие, сосудосуживающие и антисептические средства. Поэтому нет ничего удивительного в высказывании немецкого ученого С. Шмица, назвавшего кожу «самой большой эндокринной железой».
В 1985 году американские ученые Р. Эдельсони Д. Финк открыли и детально описали иммунологическую функцию кожи, которая, как оказалось, играет ведущую роль в развитии ряда дерматозов.
Некоторые ученые, и в первую очередь Д. Финк, установили, что Т-хелперы, главной функцией которых является усиление адаптивного иммунного ответа, завершают свое созревание в эпидермисе, а не в вил очковой железе, как считалось ранее.
Только после функционального взаимодействия с клетками эпидермиса – кератиноцитами и клетками Лангенгарса, участвующими в иммунологических реакциях, Т-хелперы приобретают свойства, необходимые для полноценного выполнения иммунологических функций.
В связи с этим фактом следует иметь в виду, что между кожей и вил очковой железой существуют тесные морфофункциональные связи. Например, развитие тимуса и рост волос контролируют одни и те же гены, а эпителиальные клетки тимуса, как и кератиноциты, содержат одни и те же кератогиалиновые гранулы.
В настоящее время в среде иммунологов существует вполне обоснованное предположение, что с возрастом функции вил очковой железы начинает выполнять кожа.
Помимо иммунного барьера, кожа обладает еще одной очень важной функцией – противоопухолевой. Эта особенность кожи тесно связана с ее иммунной и фотозащитной функциями.
Кожа – сложнейшая чувствительная система человека. Обращенная к окружающему миру огромной поверхностью, она напоминает военный объект, оснащенный локаторами разного типа.
Посредством специальных клеточных образований, называемых рецепторами, человек ощущает боль, холод, тепло, прикосновение, давление и вибрацию. Исследователи установили, что на 1 квадратный сантиметр кожи приходится 2 тепловых, 12 холодовых, 25 осязательных и 150 болевых рецепторов.
К настоящему времени открыто и изучается 10 функций кожи. Их совместное действие напоминает огромное промышленное предприятие, на котором в самых разных цехах и лабораториях осуществляются разнообразные химические реакции, в результате которых появляются новые вещества, регулирующие нормальную работу внутренних систем организма, а также извещающие его о малейших изменениях во внешней среде.
Все эти многообразные и порой необычные функции кожи предопределены ее эмбриогенезом. Дело в том, что кожа развивается из наружного зародышевого листка. Но кроме нее, из него образуется также нервная система, вил очковая железа и хрусталик. Немудрено поэтому считать кожу наружным форпостом центральной нервной системы, которая получает информацию об окружающей человека среде благодаря коже.
ЕСТЕСТВЕННЫЕ ЗНАКИ НА КОЖЕ
На коже человека могут присутствовать с рождения или появиться с возрастом самые разные знаки. Это могут быть бородавки, родинки, веснушки и т. д. Причем если функции, выполняемые одними образованиями более или менее известны, то роль других наука не может выяснить до настоящего времени…
Вероятно, самыми известными из кожных меток являются «веснушки». Чаще всего эти желтые или рыжеватые пятна появляются под влиянием солнечных лучей. Но вот почему они размещаются в основном на лице, шее и руках и чаще всего у бледнолицых и рыжеволосых, знают немногие.