100 великих тайн человека - Анатолий Бернацкий Страница 16

Уникальная крепость – это, естественно, скелет человека. А крепостью его называют в первую очередь из-за прочности костей, а также мышц и соединительнотканных волокон. Но, прежде чем говорить о прочности костей, приведем некоторые статистические сведения, касающиеся скелета человека.

Так, у здорового мужчины весом 77 кг на кости приходится всего 11,5 кг, или около 15 % массы тела, у женщины весом 64 кг кости весят около 7,75 кг, или около 12 % веса ее тела.

Считается, что наш скелет образуют 206 костей – 85 парных и 36 непарных. Впрочем, как это ни странно, указать точное количество костей в скелете человека практически невозможно. Так, примерно у 20 % людей есть отклонения в количестве позвонков. Один человек из каждых двадцати имеет лишнее ребро, причем у мужчин лишнее ребро встречается примерно в 3 раза чаще, чем у женщин. К тому же количество костей меняется с возрастом: со временем некоторые кости срастаются. Например, крестцовая кость явно состоит из пяти сросшихся позвонков.

А теперь обратимся непосредственно к теме данной статьи: к прочности костей. Начнем с того, что кости человека, как впрочем, и других млекопитающих, обладают уникальным строением, позволяющим им выдерживать значительные кратковременные и долговременные нагрузки. Но, в отличие от искусственных материалов, имеющих в большинстве случаев постоянную и однородную структуру, кости являются сложноустроенной живой тканью, которая непрерывно обновляется.

В этой гетерогенной структуре морфологи выделяют семь уровней организации различной сложности. На самом первом и самом мелкомасштабном кость представлена двумя основными компонентами – гидроксоапатитом и коллагеном. Первое соединение – это неорганическое вещество, похожее на известь, второе – очень прочный белок, входящий в состав многих тканей организма. Например, кожа человека на 70 % состоит из белков коллагена.

Обычно человеческий скелет состоит из 206 костей

Следующий уровень сложности сформирован уже минерализованными волокнами коллагена.

Чтобы не затруднять читателя описанием отдельно каждого уровня, отметим, что два первичных строительных элемента, постепенно усложняясь, формируют седьмой – высший и самый масштабный уровень организации кости – ее саму…

Для выяснения, какие же структуры и механизмы определяют крепость костей, ученые изучили их строение на уровне отдельных молекул, определив, тем самым, и первичную структуру костной ткани, и обстоятельства, при которых она разрушается.

Исследования показали, что минерализованные волокна коллагена представляют собой упорядоченные цепочки, в которых в строгом порядке, словно в мозаике, рассредоточены молекулы белка и микроскопические кристаллы гидроксоапатита. Причем два эти элемента – молекулы белка и кристаллы – упакованы таким образом, что образуют своеобразную лестницу, в которой минерал играет роль ступенек. Кроме того, в этой структуре имеются специальные участки, внутренние связи в которых разрушаются легче, чем в окружающих их областях волокон, но при этом в целом структура остается стабильной.

Обусловлено это тем, что, когда на костную ткань обрушиваются силы, которые могут привести к разрыву связей между коллагеном и гидроксоапатитом, они «дробятся» и равномерно воздействуют на каждое из многочисленных соседних белковых волокон.

А так как та область, в которой взаимодействуют белок и минерал, находится в окружении довольно прочных и эластичных молекул коллагена, то даже если разрушится одна или несколько слабых связей, множественных повреждений не произойдет.

Кроме того, под влиянием внешней силы микроскопические кристаллы, в отличие от более крупных кристаллических единиц, хоть и смещаются, но при этом не разрушаются.

Ранее же для объяснения крепости костей выдвигались иные версии. Так, высказывалось предположение, что их прочность обусловлена особым механизмом молекулярного скольжения, суть которого сводится к тому, что разрыв той или иной слабой связи приводит не к разрушению соседних волокон, а лишь к их растяжению.

Сторонники другой гипотезы высокую сопротивляемость костей значительным нагрузкам объясняли мельчайшими размерами кристалликов гидроксоапатита: ведь частичку диаметром в несколько нанометров разрушить совсем непросто.

Исследование же костной ткани на молекулярном уровне две эти гипотезы примирило, так как показало, что обе точки зрения в целом верны.

Кроме уникальных особенностей строения кости на микроскопическом уровне, ученые установили еще один весьма примечательный факт. Оказалось, что крохотное отверстие, которое появляется в результате разрушения связи между белком и гидроксоапатитом, как раз соответствует размеру особых костных структур, которые отвечают за обновление костной ткани.

Эти единицы представляют собой сложные многоклеточные комплексы, которые, медленно проходя сквозь пористую ткань кости, вначале, словно буравы, разрушают ее перед собой, а затем переквалифицируются в строителей и оставляют за собой уже новую ткань.

Выходит, что природа в некоторой степени нарушила одну из аксиом строительной науки, в соответствии с которой случайные полости отрицательно сказываются на прочности строительных блоков. Оказывается, кости остаются крепкими даже в том случае, если в них появляется множество миниатюрных разрывов. Более того, эти разрывы помогают им своевременно обновляться и сохранять свою прочность…

И хотя кости имеют немало структур, обеспечивающих их прочность, тем не менее, они, как известно, ломаются. Причем иногда при довольно странных обстоятельствах. Так, английские врачи столкнулись со странными переломами, которые хоть и редко, но все-таки появляются во время стрессовых ситуаций у… футбольных болельщиков!