Мышечная система

Труд создал человека. Эту мысль Энгельса подтвердили сотни научных исследований. Труд создал материальные ценности, источник благополучия человека, труд укротил грозные стихии и преобразовал природу. Все вокруг нас создано человеческим трудом. И овладевая орудиями труда, совершенствуя их, воздействуя ими на окружающие предметы, человек изменял природу и изменялся сам.

Чем дальше человек уходил от животных предков, тем больше он развивался физически. К чему сводятся движения наземных животных? В основном к передвижению в поисках пищи: ходьбе, бегу, прыжкам, иногда к лазанью по деревьям или скалам. Мощные челюсти необходимые для того, чтобы удерживать добычу и разгрызать кости или пережевывать траву и листья, дополняют работу ног животного.

Сравним животных и человека. В результате эволюции человек сумел оторвать руки от земли и стал передвигаться на двух ногах. Он выпрямился во весь рост. Благодаря этому перед ним открылись беспредельные возможности, он стал исключительно сильным. Даже ноги человека стали сильнее ног животного. Сравним человека со слоном, животным исключительной силы, и сравнение будет не в пользу слона. В самом деле, когда слон стоит, на каждую его ногу приходится только одна четверть всего веса животного, а у человека - половина. От того, что руки человека занялись трудом, ноги стали более сильными и ловкими.

Положение нашего тела исключительно неустойчиво (механики называют его "положением неустойчивого равновесия"). Очень трудная задача при высоком положении центра тяжести и незначительной, как у человека, площади опоры сохранить тело в вертикальном положении. А если он берет в руки груз, центр тяжести тела смещается и поддерживать равновесие еще труднее. Это удается сделать только с помощью тончайшего комплекса мышечных напряжений. Мышцы туловища поддерживают человека в вертикальном положении, служат опорой для рук, помогают движениям в труде. С первых этапов истории человечества труд способствовал перестройке его телосложения, развитию мускулатуры, обогатил двигательными возможностями.

Но процесс труда развивал не только мышцы, он способствовал и совершенствованию мозга. Ни у кого из животных двигательная область коры головного мозга не достигла такого развития, как у человека. Индивидуальное развитие каждого человека неразрывно связано с его трудом. Бездеятельность обусловливает отсутствие развития, уменьшение и ослабление органов нашего тела. Физический труд развивает мускулатуру тела, точность движений. Очень важно и то, что в труде воспитывается выносливость, способность преодолевать утомление.

Некоторые думают, что настоящий источник здоровья - это отдых. Глубокая ошибка. Отдых без работы - бездействие. Без труда отдыха не существует. Труд без отдыха истощает, но и отдых должен иметь свои границы, продолжаясь лишь столько времени, сколько требуется для восстановления сил. Если отдых затянулся, он становится вредным, мышцы начинают атрофироваться. Наиболее целесообразен активный отдых, переключение одной деятельности на другую. Это бессознательно делают дети, они почти никогда не устают, потому что постоянно переключаются с одной игры па другую.

Труд - источник здоровья и всестороннего развития человека. Разобраться в механизме действия труда па организм человека помогла химия. Но прежде всего уясним, как работают мышцы.

Известно, что работа мышц проявляется главным образом в их сокращении. Одни мышцы приводят в движение кости скелета, а без участия других была бы невозможна деятельность внутренних органов: сердца, легких, кишечника, мочевого пузыря. Координирует все функции организма, в том числе и сложную работу мышц, нервная система.

Волокна нервных клеток, расположенных в спинном и головном мозге, разветвляясь, подходят ко всем мышцам. В зависимости от величины мышцы нервное волокно в одних случаях возбуждает три-шесть мышечных волокон, а в других - 120-160. Сокращение мышцы возникает тогда, когда она получает команду от мозга. Мышечные волокна возбуждаются не только двигательными нервами, но и еще особыми, трофическими нервами (от греческого слова "трофе" - питание), которые облегчают передачу возбуждения с нерва на мышцу, а также усвоение мышечной тканью питательных веществ.

Весь период сокращения мышечного волокна равен примерно 0,04 секунды. А ведь наши движения более длительны по времени. Следовательно, они складываются из серии отдельных мышечных сокращений, непрерывно следующих друг за другом. Такие сокращения, называемые физиологами тетанусом, и лежат в основе мышечной работы человека.

Чтобы совершать простые или сложные мышечные движения, надо обязательно сохранять устойчивое положение тела в пространстве. Это достигается благодаря длительному напряжению - сокращению ряда мышц. Такая работа мышц называется тонической. Каждая мышца, участвующая в мышечной работе или в поддержании равновесия, сокращается и расслабляется в строго определенной последовательности, точно согласуй свою работу с работой всех остальных мышц нашего тела.

Как же устроена мышца, что является ведущим в процессе сокращения и что собой представляет сократительное вещество? По характеру сокращения все мышцы делятся па две большие группы: поперечно-полосатые - мышцы произвольного сокращения, действующие в зависимости от нашей воли, и гладкие мышцы непроизвольного сокращения, которые выстилают кровеносные сосуды, пищеварительный тракт и другие внутренние органы. Особенное место по своему строению и функции занимает такая мышца, как сердце. Она поперечно-полосатая и в то же время сокращается непроизвольно.

Поперечно-полосатые мышцы названы так потому, что под микроскопом отчетливо видны длинные полоски и пересекающие их поперечные линии. Эти мышцы состоят из вытянутых клеток, длина которых достигает у человека 5 см, а толщина 5 мк. Каждая мышечная клетка или волокно заключено в эластичную оболочку, внутри расположены ядро, цитоплазма и миофибриллы - основной сократительный аппарат мышцы.

Каждую миофибриллу удалось расщепить на множество нитей, на которых были выделены толстые и тонкие нити. В мышечной клетке они расположены в строго определенном геометрическом порядке: вытянуты вдоль всей клетки так, что тонкие нити находятся между толстыми. Построены нити из белков: тонкие из актина, толстые из миозина. Эти белки способны соединяться друг с другом, образуя совершенно новый белок - актомиозин, который обладает замечательным свойством - сократимостью.

Ученые сумели воспроизвести каждый этап сложнейшего процесса мышечного сокращения. В покое тонкие нити, закрепленные на вертикальных полосках, располагаются возле толстых нитей так, что едва заходят друг за друга. При сокращении тонкие нити смыкаются, и получается строгое чередование сплошных длинных тонких и коротких толстых нитей. Электронный микроскоп помог обнаружить на толстых нитях небольшие шипики, которыми они во время сокращения скрепляются с тонкими, образуя своего рода механизм зубчатой передачи^*.

^*(Английский биолог Э. Хаксли объясняет сокращение миофибриллы проскальзыванием тонких нитей между толстыми (принцип "скольжения", используемый в эластичных браслетах для часов). Но механизм сокращения мышц пока еще не расшифрован полностью. Известно, что мышцы могут использовать для сокращения до 50% химической энергии пищевых веществ.)

Таким образом, биохимия мышечного сокращения - это не что иное, как соединение двух белков и образование третьего, сократимого белка. Но откуда организм черпает энергию для мышечного сокращения?

Любое движение, происходящее в организме, требует затраты энергии. Мы уже упоминали, что основным источником ее служат особые фосфорные соединения, которые образуются в теле человека в результате многих последовательных химических реакций. Из таких соединений наиболее важен аденозинтрифосфат, или АТФ. В состав молекулы этого вещества входят три остатка фосфорной кислоты, из которых два очень непрочно связаны с остальной частью молекулы АТФ. Когда в процессе многоступенчатых химических превращений такие связи разрываются, высвобождается энергия, необходимая организму для самых различных процессов жизнедеятельности.

Советские биохимики В. А. Энгельгардт и М. Н. Любимова установили, что миозин и актомиозин обладают способностью расщеплять АТФ. В результате этого процесса в организме освобождается энергия, необходимая для сокращения мышц, определенных структурных элементов мышцы и ее функции с использованием энергии, заключенной в фосфоросодержащих веществах.

В конечном итоге мышечное сокращение представляет собой сложный процесс, который начинается передачей возбуждения нерва на мышцу. Затем возбуждение распространяется по всей поверхности мышечного волокна, и происходит реакция актомиозина с АТФ, которая образуется главным образом в элементах мышечного волокна - митохондриях, справедливо называемых энергетическими станциями клетки.

Мы знаем, что после сокращения мышца расслабляется, как бы отдыхает. Что же происходит в этот период? Современные исследования показывают, что расслабление мышцы отнюдь не пассивный процесс, как можно было бы думать. Во время расслабления мышца не только пополняет израсходованные запасы, но и готовится к следующему сокращению. Ученые объясняют расслабление мышцы действием химического вещества, которое, возможно, связывает актомиозин и не позволяет ему в данный момент расщеплять АТФ (рис. 41).

Рис. 41. Схема химических превращений, дающих энергию для сокращения мышц

Но дело не в одной АТФ. Если представить себе актомиозин как машину, осуществляющую сокращение мышц, а АТФ - как поставщика горючего для этой машины, то в сокращающейся мышце запасы АТФ должны истощаться. Опыты показали, что это не так. В работающей мышце количество АТФ меняется мало, зато исчезает другое богатое энергией вещество - креатинфосфорная кислота, или КФК.

Но чем объяснить, что энергию поставляет АТФ, а исчезает КФК? Ученые объясняют это несоответствие следующим образом: энергию поставляет КФК, но не прямо, а через АТФ, которая вводит энергию в актомиозин. Представим себе пожар, который тушат старым способом, передавая ведра воды из рук в руки: АТФ забирает "ведро энергии" из бочки - креатинфосфата, передает его мышце и снова забирает другое такое же ядро. Следовательно, энергия АТФ не растрачивается, так как она непрерывно пополняется.

В организме работа мышц вызывается импульсами, направляющимися к ним по двигательным нервам от центральной нервной системы. Усиленная работа ведет к утомлению мышц: накоплению молочной кислоты и продуктов распада аденозинтрифосфорной и креатинфосфорной кислот. Молочная кислота и ядовитый аммиак легко переходят из мышц в кровь. В 100 г крови человека в состоянии покоя содержится 10-20 мг молочной кислоты. Достаточно, однако, человеку заняться пилкой дров или пробежать 1-2 км, и цифра эта может подскочить до 100 мг! Таким образом, уровень молочной кислоты (и некоторых других веществ) в крови - хороший показатель изменений в химии организма при работе, особенно при тяжелом труде, когда наше тело ощущает острую нехватку кислорода. Одновременно с этими процессами кровь доставляет мышцам питательные вещества - глюкозу, ацетоуксусную кислоту и другие, которые используются мышцами.

При правильном сочетании периодов работы и отдыха мышцы в организме могут работать продолжительное время без накопления в них молочной кислоты и продуктов распада других сложных веществ - аденозинтрифосфорной и креатинфосфорной кислот, а также без признаков утомления. Это объясняется тем, что в период отдыха интенсивно протекают окислительные процессы, сопровождающиеся образованием сложного углевода - гликогена из молочной кислоты, а также аденозинтрифосфорной и креатинфосфорной кислот (из продуктов их распада). Только в тех случаях, когда распад энергетически важных веществ в мышцах в период работы происходит более интенсивно, чем их синтез в период отдыха, в мышцах накопляются такие вещества, как молочная и инозиновая кислоты (продукт дефосфорилирования и дезаминирования аденозинтрифосфорной кислоты), аммиак, креатин и фосфорная кислоты. Мышцы утомляются постепенно, и для восстановления их работоспособности в этих случаях требуется продолжительный период отдыха. Любой вид спорта, систематические занятия физической культурой закаляют организм, делают его более выносливым и, что самое важное, увеличивают в тканях запасы фосфоросодержащих веществ, в первую очередь АТФ^*.

^*(Представим себе, что мышца - это тепловая машина, которая превращает химическую энергию топлива (глюкозу) сначала в теплоту, а затем уже в механическую работу. В этом случае рабочие части такой машины ("сократительные белки"), вероятно, сразу "обуглились" бы в результате резкого повышения температуры в процессе превращения энергии окисления в теплоту. Чтобы избежать этого, природа поручила АТФ и подобным ей соединениям роль посредников между силовыми станциями клетки и рабочими механизмами.)

Большое влияние на состояние мышц оказывают железы внутренней секреции. Неузнаваемо меняется внешний облик подростка в период полового созревания. В этот период в результате усиленного действия гормонов он быстро растет, у него увеличивается мышечная масса тела.

Исследования последних лет показали, что трудоспособность и мышечная активность человека зависят также от качества пищи, содержания в ней витаминов. Наиболее важными для мышечной деятельности оказались витамины группы В, в частности витамин В1. Он способствует проведению нервного импульса, передаче возбуждения с нерва на мышцу, увеличению в организме запасов богатых энергией фосфорных соединений.

Нарушения в обмене веществ мышечной ткани лежат в основе болезней мышц, которым дают общее название "миопатии". Современная медицина обычно относит миопатии к наследственным заболеваниям, обусловленным генетическими дефектами. Таким образом, в данном случае, как и в большинстве ошибок обмена веществ, мы встречаемся со своеобразными ферментопатиями.

За небольшим исключением миопатии наследуются по трем основным типам. Первому типу соответствует плече-лопаточно-лицевая форма, прогрессирующая медленно и передающаяся по аутосомно-доминантному принципу. Далее следует форма Дюшенна. Эта форма начинается рано, быстро прогрессирует, передается по рецессивному типу, связанному с полом. Передатчиками являются женщины, а заболевают мальчики (до 300 на один миллион рождающихся мальчиков). И, наконец, поясная форма с более тяжелым течением передается по рецессивно-аутосомному типу. Заболевают только гомозиготы (одна четвертая детей гетерозиготных здоровых родителей), как мальчики, так и девочки.

Миопатии можно также назвать дистрофиями (дистрофия - расстройство обмена веществ в тканях); притом прогрессирующими, так как они ведут к мышечной атрофии, т. е. к такому постепенно нарастающему перерождению и похуданию, которое может привести в тяжелых случаях к полному исчезновению мышц. Есть и такие заболевания мышц, при которых атрофия не развивается - это миастения и миотония.

Какие же биохимические изменения наблюдаются при дистрофии мышц? Их очень много, и современная наука, хотя и выявила многие из этих расстройств, однако пока не сумела полностью разобраться в вопросе "что к чему,). Вероятнее всего, причина во врожденном расстройстве углеводного обмена, в первую очередь цикла Кребса. Очень характерна также потеря организмом креатина (креатин-фосфорная кислота - поставщик фосфора для главного энергетического вещества клетки - АТФ) и миоглобина. А миоглобин - это гемоглобин мышц, ведающий в них переносом и запасением кислорода. До какого же хаоса доходит обмен веществ, если мышца теряет возможность использовать кислород и ресурсы энергии! Легко понять, что такие расстройства обмена не могут ограничиваться только мышцами, но распространяются на самые различные органы и ткани - почечную, печеночную, нервную и т. д. Достаточно отметить, что миоглобин (молекула которого относительно невелика) проходит через почку в мочу, что в конечном итоге вызывает острую почечную недостаточность.

Характерна для мышечной дистрофии и утечка из мышечных клеток таких регуляторов обмена веществ, как ферменты из скелетных мышц, из сердечной мышцы и клеток печени. За последние годы особо характерным для мышечной дистрофии считается изменение активности креатинфосфокиназы. Ведь именно этот фермент занимается переносом фосфора с креатинфосфорной кислоты.

Что касается таких наследственных поражений мышц, как миастения или миотония, то биохимические повреждения при них носят иной характер. Как известно, основное значение для сокращения мышцы имеет химическая передача импульса с нерва на мышцу при помощи ацетилхолина. На нервно-мышечную возбудимость большое влияние оказывает концентрация электролитов: калия, кальция, магния, натрия. При этих болезнях мышц особенно меняется концентрация калия, который играет двойную роль в сокращении мышц. С одной стороны, он действует на концевую нервно-мышечную пластинку, с другой - непосредственно на возбудимость мышц.

Мы ограничимся приведенными выше примерами, но запомним, что нарушения обмена веществ в мышцах наблюдаются при многих наследственных ошибках обмена веществ.