Форма и строение костей, типы их соединений
Химический состав и строение костей.
Костное вещество состоит из органических (оссеин) – 1/3 и неорганических (2/3) (главным образом, солей кальция, 95%) веществ. Если кость подвергнуть действию раствора соляной кислоты, соли кальция растворятся, а органическое вещество останется, сохраняя форму кости. Такая декальцинированная кость приобретает исключительную эластичность и легко деформируется. Если же кость подвергнуть обжиганию, то органическое вещество сгорает, а неорганическое остается. Такая кость сохраняет прежнюю форму, но приобретает исключительную хрупкость. Она может расколоться при малейшем прикосновении. С возрастом количественное соотношение оссеина и минеральных солей изменяется. Кости детей содержат больше оссеина и поэтому они более эластичны. В старости в костях становится больше минеральных солей, их содержание может доходить до 80%. Поэтому кости стариков более хрупкие, а при падении у них часто случаются переломы.
Лежащие в земле кости теряют органическое вещество под воздействием бактерий и становятся хрупкими. В сухом грунте кости сохраняются лучше, так как для размножения бактерий необходима влага. Такие кости постепенно мумифицируются. В известковой почве кости пропитываются кальцием – "окаменевают".
Самая прочная кость нашего скелета – большая берцовая, на нее ложится наибольшая тяжесть при поддержании тела в вертикальном положении. Эта кость способна выдержать нагрузку до 1650 кг, т.е. примерно в 25 раз больше ее обычной нагрузки. Таков запас технической прочности природной конструкции.
Кость уникальна не только по сочетанию твердости и упругости, обусловленному ее химическим составом. Она отличается также исключительной легкостью. Это связано с особенностями ее микроскопического строения. Поверхность кости покрыта надкостницей (рис. 1.1). Она состоит из двух слоев – наружного (соединительнотканного) и внутреннего – остеогенного, содержащего стволовые костные клетки и остеобласты. При переломах костей остеобласты "зарубцовывают" щель грубоволокнистой костной тканью, образуя "костную мозоль". Надкостница богата нервами и сосудами, через нее осуществляется питание и иннервация кости. На распиле через кость обнаруживается неоднородность ее строения. На поверхности расположено так называемое плотное, или компактное, вещество (substantia compacta), а в глубине – губчатое (substantia spongiosa) (рис. 1.2). Толщина слоя компактного вещества изменяется в зависимости от нагрузки, испытываемой костью, и наиболее значительна в области диафизов. Губчатое вещество образовано очень тонкими костными перекладинами, которые располагаются не беспорядочно, а в соответствии с распределением функциональных нагрузок на всю кость или ее части. Преимущественно из губчатого вещества состоят эпифизы длинных костей, все короткие кости, часть смешанных и плоских костей, т.е. легкие и прочные части скелета, испытывающие напряжение в различных направлениях. Диафизы и некоторые тонкие плоские кости почти полностью лишены губчатого вещества. Они выполняют функции опоры и движения.
Структурной единицей костной ткани являются остеон или гаверсова система (рис. 1.3). Остеон представляет собой систему костных пластинок в виде вставленных друг в друга цилиндров, между которыми лежат костные клетки – остеоциты. Расположенный в центре остеона гаверсов канал, содержит кровеносные сосуды, обеспечивающие обмен веществ клеток кости. Между остеонами находятся вставочные пластинки. Из остеонов состоит компактное вещество и перекладины губчатого вещества. Распределение компактного и губчатого вещества зависит от функциональных условий кости.
Костные ячейки губчатого вещества заполнены красным костным мозгом. Желтый костный мозг находится в центральном канале трубчатых костей – костно-мозговой полости.
У взрослых вся полость заполнена желтым костным мозгом, но в период роста и развития ребенка, когда требуется интенсивная кроветворная функция, преобладает красный костный мозг. С возрастом он постепенно замещается желтым.
Форма костей.
Кости, входящие в состав скелета, составляют примерно 10% общего веса тела.
Величина и форма костей зависит от выполняемой ими функции. Различают кости длинные, короткие, широкие и смешанные.
Длинные кости, находятся, например, в обеих конечностях; их длина значительно превышает прочие размеры. Значение кости как рычага, к которому прикрепляются мышцы, увеличивается с ее удлинением.
Относительно более тонкая средняя часть длинных костей называется телом или диафизом, а утолщенные концы – эпифизами.
Диафиз длинных костей имеет внутри полость, поэтому такие кости называются трубчатыми. Утолщение концов длинных костей функционально оправдано. Эпифизы служат местом сочленения костей друг с другом, здесь происходит прикрепление мышц. Чем шире поверхность соприкосновения костей, тем прочнее и устойчивее их соединение. В то же время утолщенный эпифиз отдаляет от длинной оси кости мышцу, в следствие чего последняя подходит к месту прикрепления под большим углом и увеличивает силу полезного действия в соответствии с правилом параллелограмма.
Короткие кости расположены в запястье и предплюсне, т.е. там, где одновременно необходимы большая прочность и подвижность скелета. Эти кости имеют кубическую или неправильную форму и почти одинаковые размеры во всех направлениях.
Широкие, или плоские, кости образуют стенки полостей, содержащих внутренние органы. Такие кости с одной стороны вогнуты, с другой – выпуклы; ширина и длина их значительно преобладают над толщиной. Примером служит тазовая кость, лопатка, кости мозгового черепа.
Смешанные кости, например клиновидная в черепе, имеют различную форму, сложность которой соответствует многообразию выполняемых функций.
Среди широких и смешанных костей черепа имеются пневматизированные, заключающие в себе полость, выстланную слизистой оболочкой и заполненную воздухом, что облегчает вес кости без ущерба для ее прочности (например, верхнечелюстная и клиновидная кости).
Кости непосредственно связаны с обменом веществ всего организма и постоянно перестраиваются в связи с изменением динамической нагрузки. Например, при изменении профессии, когда меняется нагрузка на кость, происходит разрушение старых остеонов и формирование новых, соответствующих новым условиям нагрузки.
Типы соединения костей
Классификация соединений. Существуют два основных типа соединений костей: непрерывные и прерывные, или суставы. Непрерывные соединения имеются у всех низших позвоночных и на эмбриональных стадиях развития у высших. Когда у последних формируются закладки костей, между ними сохраняется их исходный материал (соединительная ткань, хрящ). При помощи этого материала происходит сращение костей, т.е. образуется непрерывное соединение. Прерывные соединения развиваются на более поздних стадиях онтогенеза у наземных позвоночных и являются более совершенными, так как обеспечивают более дифференцированную подвижность частей скелета. Они развиваются вследствие возникновения щели в исходном материале, сохранившемся между костями. В последнем случае остатки хряща покрывают сочленяющиеся поверхности костей. Существует еще третий, промежуточный тип соединений – полусустав.
Непрерывные соединения. Непрерывное соединение – синартроз, или сращение, имеет место в том случае, когда кости связаны друг с другом соединяющей тканью. Движения при этом крайне ограниченны или вовсе отсутствуют. По характеру связующей ткани различают соединительнотканные сращения, или синдесмозы, хрящевые сращения, или синхондрозы, и сращения при помощи костной ткани – синостозы.
Синдесмозы бывают трех родов: 1) межкостные перепонки, например между костями предплечья или голени; 2) связки, соединяющие кости (но не связанные с суставами), например связки между отростками позвонков или их дугами; 3) швы между костями черепа.
Межкостные перепонки и связки допускают некоторое смещение костей. В швах прослойка соединительной ткани между костями очень незначительна и движения невозможны.
Синхондрозом является, например, соединение I ребра с грудиной посредством реберного хряща, упругость которого допускает некоторую подвижность этих костей.
Синостозы развиваются из синдесмозов и синхондрозов с возрастом, когда соединительная ткань или хрящ между концами некоторых костей заменяется костной тканью. Примером могут служить сращение крестцовых позвонков и заросшие швы черепа. Движения здесь, естественно, отсутствуют.
Прерывные соединения. Прерывное соединение – диартроз, сочленение, или сустав, характеризуется незначительным пространством (щелью) между концами соединяющихся костей. Различают суставы простые, образованные лишь двумя костями (например, плечевой сустав), сложные – когда в соединение входит большее число костей (например, локтевой сустав), и комбинированные, допускающие движение лишь одновременное с движением в других анатомически обособленных суставах (например, проксимальный и дистальный лучелоктевые суставы). В состав сустава входят: суставные поверхности, суставная сумка, или капсула, и суставная полость.
Концы костей, образующих сустав, покрыты гиалиновым хрящом толщиной от 0,2 до 0,6 мм. Этот хрящ очень эластичен, имеет гладкую блестящую поверхность, поэтому значительно уменьшается трение между костями, что существенно облегчает их движение.
Из очень плотной соединительной ткани образуется суставная сумка (капсула), которая окружает область сочленения костей. Крепкий наружный (фиброзный) слой капсулы прочно соединяет между собой сочленяющиеся кости. Внутри капсула выстлана синовиальной оболочкой. В полости сустава находится синовиальная жидкость, которая действует как смазка и тоже способствует уменьшению трения.
Снаружи сустав укреплен связками. Ряд суставов укрепляется связками и внутри. Кроме того, внутри суставов имеются особые приспособления, которые увеличивают сочлененные поверхности: губы, диски, мениски из соединительной ткани и хряща.
Полость сустава является герметически замкнутой. Давление между суставными поверхностями всегда отрицательное (меньше атмосферного), в связи с чем наружное атмосферное давление препятствует их расхождению.
У спортсменов под влиянием тренировки подвижность суставов увеличивается. У детей большинство суставов, как правило, более подвижно, чем у взрослых или пожилых людей.
Строение скелета
Скелет (греч. skeleton - высохший, высушенный) выполняет множество функций: опорную, защитную, локомоторную, формообразующую, преодоление силы тяжести.
Форма тела человека обусловлена скелетом, имеющим билатеральную симметрию и сегментарное строение. Общая масса скелета составляет от 1/7 до 1/5 массы тела человека. В его состав входит более 200 костей. Однако эта цифра весьма относительна. Многочисленны индивидуальные вариации числа костей, у детей в силу неполного окостенения костных фрагментов их больше. В любом учебнике можно прочитать о количестве костей следующее: позвоночный столб (26 костей), череп (29 костей), грудная клетка (25 костей); кости верхних (64) и нижних (62) конечностей. Кости скелета являются рычагами, приводимыми в движение мышцами. В результате этого части тела изменяют положение по отношению друг к другу и передвигают его в пространстве. К костям прикрепляются связки, мышцы, сухожилия, фасции. Скелет образует вместилище для органов, защищая их от внешних воздействий: в полости черепа расположен головной мозг, в позвоночном канале - спинной, в грудной клетке - сердце и крупные сосуды, легкие, пищевод и др., в полости таза - мочеполовые органы. Кости участвуют в минеральном обмене, они являются депо кальция, фосфора и т. д. Живая кость содержит витамины A, D, С и др. Скелет образован разновидностями соединительной ткани - костной и хрящевой, которые состоят из клеток и плотного межклеточного вещества. Кость и хрящ тесно связаны между собой общностью строения, происхождения и функции.
Скелет человека состоит из позвоночного столба, ребер с грудиной, скелета конечностей и черепа. Скелет человека - уникальное творение! Он существенно отличается от скелета животных. В первую очередь это относится к его пропорциям; черепу, вмещающему головной мозг и органы чувств; свободным верхним конечностям, осуществляющим трудовые процессы; нижним конечностям, служащим опорой при прямохождении. Скелет человека обладает рядом характерных особенностей, наиболее важными из которых являются вертикально расположенный позвоночный столб с изгибами; уплощенная широкая грудная клетка; череп, в котором преобладает мозговой отдел, с округлой выпуклой крышей, возвышающейся над лицевым отделом. Соединения костей. Кости, соединяясь между собой, образуют подвижные соединения или прочные неподвижные конструкции. Все соединения костей делятся на три большие группы: непрерывные, полусуставы, или симфизы, и прерывные, или синовиальные (суставы).
Скелет человека состоит их следующих отделов: скелета головы, скелета туловища, скелета верхних конечностей и скелета нижних конечностей.
Скелет головы подразделяется на кости мозгового и висцерального черепа. В состав первого входят: затылочная, лобная, клиновидная, решетчатая, теменная и височная. Висцеральный череп состоит из нижнечелюстной, верхнечелюстной, скуловой, небной, носовой, слезной костей. Начиная с 13 лет рост висцерального отдела черепа превалирует над мозговым.
Скелет туловища состоит из позвоночного столба и грудной клетки. В состав первого входят 33-34 позвонка, из которых 7 шейных, 12 грудных, 5 поясничных, 5 крестцовых и 3-5 копчиковых. Каждый позвонок состоит из тела и дуги, от которой отходят один остистый отросток и два боковых. Позвонки формируют спинномозговой канал. Грудная клетка образована грудиной, ребрами и грудными позвонками. Грудина состоит из рукоятки, тела и мечевидного отростка. Ребра, в количестве 12 пар, подразделяются на 7 пар истинных ребер (1-7), соединяющихся непосредственно с грудиной, и 5 пар (8-12) ложных, из которых 3 пары (8-10) присоединяются своими хрящами к хрящу седьмого ребра, а две пары (11 и 12) с грудиной не связаны. Хрящ 7-10 пары образуют реберную дугу. Позвоночный столб у новорожденного почти прямой. Когда ребенок начинает держать голову (3 месяца) появляется первый шейный лордоз (изгиб кпереди). К 6-му месяцу жизни, когда ребенок начинает сидеть, появляется грудной кифоз (изгиб кзади). Когда ребенок начинает стоять и ходить, появляется поясничный лордоз и укрепляется крестцовый кифоз. Фиксируются физиологические изгибы у детей в шейном и грудном отделах позвоночника в 6-7 лет, а в поясничном – в 12 лет. Грудная клетка у детей сдавлена с боков. С возрастом она расширяется и к 12 годам приобретает форму взрослого.
Скелет верхних конечностей и их пояса. Скелет верхних конечностей состоит из плечевой кости (анатомическое плечо), костей предплечья (лучевой и локтевой), скелета кисти (кости запястья, пястные кости и фаланги пальцев). Скелет запястья состоит из 8 костей. Скелет пястья состоит из 5 костей. Скелет пояса верхних конечностей (плечевого пояса) состоит из ключиц и лопаток.
Скелет нижних конечностей и их пояса. Скелет нижней конечности состоит из бедренной кости, костей голени (больше- и малоберцовой), скелета стопы, который имеет в своем составе кости предплюсны (7 костей), кости плюсны (5 костей) и фаланги пальцев. Скелет пояса нижних конечностей (тазового пояса) представлен тазовой костью, которая до 15 лет состоит из 3-х костей: подвздошной, седалищной и лонной. Две части лонной кости соединены так называемым лобковым симфизом – хрящевым соединением, имеющим особое строение.