7.2. Мышечная система

Сокращения скелетных мышц обеспечивают движения тела и удержа­ние его в вертикальном положении. Вместе со скелетом мышцы придают телу форму. С деятельностью скелетных мышц связаны функции дыхания (работа межреберных мышц и диафрагмы), глотания, слуха (работа мышц, переме­щающих слуховые косточки), зрения (перемещение глаза в глазнице), звуко­вая речь (работа мышц гортани и языка) и т.д.

В теле человека насчитывается около 600 скелетных мышц (рис. 67). Мускулатура у мужчин составляет 35-45%, а у женщин 28-35% от общей мас­сы тела.

7.2.1. Строение и классификация скелетных мышц

Скелетная мышца - это орган, образованный поперечно-полосатой мышечной тканью и содержащий, кроме того, соединительную ткань, нервы (двигательные, чувствительные и вегетативные) и сосуды (кровенос­ные и лимфатические). Каждая поперечнополосатая мышца (исключение -мимические мышцы) заключена в соединительно-тканный футляр (фасцию), имеющую гладкую поверхность, поэтому она движется относительно сосед­них мышц с минимальным трением. Прослойки рыхлой соединительной тка­ни находятся и внутри мышцы, разделяя мышечные волокна на отдельные группы (пучки). Более того, каждое мышечное волокно покрыто тонким сло­ем соединительной ткани. Кровеносные сосуды и нервы подходят к мышеч­ным волокнам в составе этих соединительно-тканных оболочек. Плотность капилляров на единицу площади мышцы зависит от ее функционального со­стояния. На концах мышца переходит в сухожилие (из плотной волокнистой соединительной ткани), обладающее большой прочностью, но не способное сокращаться (рис. 68). Например, пяточное (ахиллово) сухожилие выдержи­вает нагрузку до 300 кг. Сухожильные концы отличаются по форме (длин­ные, короткие, широкие, веерообразные), по мышц прикреплены чаще всего к разным костям (рис. 69). Скелетные мышцы отношению к суставам (действующие на один сустав, двухсуставные, многосуставные), по располо­жению в теле человека (поверхностные, глубокие), по направлению мы­шечных волокон (круговые или кольцевые = сфинктеры, лентовидные, веретеновидные, перистые).

Мышцы

1. По выполняемой деятельности:

Дыхательные, мимические, жевательные

2. По действию на суставы:

Сгибатели, разгибатели, отводящие

Пронаторы, супинаторы, приводящие

При осуществлении любого двигательного акта происходит сокращение целой группы мышц. Мышцы, движения которых сочетаются, например, при сгибании, называются синергистами или содружественными, а мышцы, участвующие в противоположных действиях - антагонистами. Мышцы ан­тагонисты не препятствуют деятельности мышц - синергистов: при сокраще­нии сгибателей одновременно расслабляются разгибатели, что обеспечивает согласованность движений. Мышцы, сокращение которых вызывает движе­ние конечности от тела, называют отводящими, а их антагонистов, прибли­жающих конечность к телу, - приводящими. Мышцы-вращатели при сво­ем сокращении вращают ту или иную часть тела (голову, плечо, предплечье и т.д.) к центру (пронаторы) или от центра (супинаторы).

7.2.2. Свойства скелетных мышц

Сократимость - основное свойство мышц. Она характеризуется спо­собностью мышцы укорачиваться или развивать мышечное напряжение.

Эта способность мышцы связана с особенностями ее строения и функцио­нальными свойствами.

В скелетным мышцах выделяют два типа мышечных волокон: медленные (тонические) и быстрые (фазические). В некоторых мышцах на­ходятся только быстрые или только медленные волокна, в других - и те и другие одновременно. Благодаря двум типам волокон организм может под­держивать позу и осуществлять движения.

Особенности тонических мышц следующие: в них много митохондрий, а источником энергии является кислородные (аэробные) процессы. В ответ на раздражение происходит медленное постепенное сокращение и далее медленное расслабление, в 100 раз более медленное, чем у быстрых во­локон. Тонические мышцы могут длительно сокращаться, что обеспечивает поддержание позы. Располагаются тонические волокна в глубоких слоях мышц конечностей и туловища.

Фазические волокна характеризуются меньшим количеством митохондрий, поэтому основным источником энергии являются анаэробные (бескислородные) процессы. Эти волокна отвечают на раздражение быстрым сокращением, но в них довольно быстро развивается утомление, а также кислородная задолженность. Фазические мышцы важны для обеспечения бы­стрых движений. Они располагаются ближе к поверхности тела.

Деятельность мышц регулируется центральной нервной системой (ЦНС). Нервные импульсы, возникающие в различных отделах ЦНС в конеч­ном итоге попадают на двигательный нейрон передних рогов спинного мозга (мотонейрон). Причем один двигательный нейрон, как правило, иннервирует несколько мышечных волокон. Было выяснено, что в скелетных мышцах имеется около 250 млн. мышечных волокон, тогда как число мото­нейронов в спинном мозге - 420 тыс. Мышцы разных отделов тела иннервируются разным числом нервных клеток. Так, в мышцах глазного яблока один мотонейрон иннервирует 3-6 мышечных волокон, тогда как в мышцах ног их число достигает 650. Таким образом, в зависимости от тонкости двига­тельных актов и их биологической значимости количество нейронов, иннервируюших мышцы, бывает различным. Группа мышечных волокон, иннервируемых одним мотонейроном, получила название моторной единицы. Благодаря большому количеству моторных единиц можно объяснить плав­ность движений. Если бы нервные импульсы, подходящие к мышце, приво­дили бы к одновременному возбуждению всех мышечных волокон, то движе­ния носили бы марионеточный, кукольный характер. Но этого не происходит, так как от различных двигательных нейронов импульсы к мышце подходят не одновременно, а несколько асинхронно. Это и способствует постепенному (градуальному) нарастанию сокращений и плавности движений нашего те­ла.

Движения человека, в основе которых лежат сокращения мышц, име­ют рефлекторную природу. Сократительные механизмы мышечных волокон срабатывают под влиянием нервных импульсов, идущих от нервных центров. Деятельность последних, в свою очередь, определяется раздражениями, при­ходящими из окружающей среды благодаря деятельности органов чувств.

Любой двигательный акт, будь то ходьба, бег, тонкие движения паль­цев рук при письме или игре на фортепиано и т.д., связан с тонким и точным согласованием последовательности сокращений различных мы­шечных групп, их силы, и продолжительности. В регуляции любого движения принимают участие многие отделы ЦНС. В коре головного мозга в области передней центральной извилины находится зона двигательного ана­лизатора. Кора осуществляет условно-рефлекторную регуляцию движений, т.е. тех движений, которые выработались у человека в процессе индивиду­ального опыта. Обучение новым формам движений возможно только при со­хранности коры. Роль промежуточного мозга, его подкорковых ядер заклю­чается в том, что они регулируют движения, ставшие в результате Многочис­ленных повторений автоматическими. Мозжечок принимает участие в регу­ляции безусловнорефлекторных движений. Между корой, мозжечком и подкорковыми ядрами существуют двусторонние связи. На уровне про­межуточного, среднего, продолговатого и спинного мозга осуществляется рефлекторная регуляция тонуса мышц.

Возбудимость и лабильность мышц. В ответ на раздражение в мышце развивается процесс возбуждения. Эта способность, как было отмечено выше, называется возбудимостью. Уровень возбудимости мышцы является одним из важнейших показателей, характеризующих функциональное состояние всего нервно-мышечного аппарата. Процесс возбуждения мышцы сопровож­дается изменением обмена веществ в мышечных волокнах, прежде всего пе­рераспределением ионов К+ и Na+ между внутриклеточным и внеклеточным пространствами.

Деятельность мышц в значительной степени характеризуется ее ла­бильностью - скоростью или длительностью протекания процесса возбужде­ния в возбудимой ткани. Мышечные волокна обладают значительно мень­шей лабильностью в сравнении с нервными волокнами, но большей, чем ла­бильность синапсов.

Уровни возбудимости и лабильности не являются постоянными и ме­няются при разных ситуациях. Так, небольшая физическая нагрузка (утренняя зарядка) повышает возбудимость и лабильность нервно-мышечного аппарата, а значительные физические и умственные нагрузки - понижают.

Тонус скелетных мышц. Даже в покое, вне работы, мышцы не полно­стью расслаблены, а находятся в состоянии некоторого устойчивого непроиз­вольного напряжения (тонуса). Это приводит к более быстрой реакции на раздражитель и более сильному сокращению. Внешним выражением тонуса является определенная степень упругости мышцы. Во время умственного и эмоционального напряжения тонус различных мышц может усиливаться, а во время глубокого сна он уменьшается.

Изотоническое и изометрическое сокращение мышц. Сокращение мыщцы может сопровождаться ее укорочением, но напряжение при этом остается постоянным. Такое сокращение называют изотоническим. Если мышца напрягается, но укорочения не происходит, то сокращение мышцы называют изометрическим (например, при попытке поднять неподъемный груз.

В естественных условиях мышечные сокращения всегда носят смешанный характер и движения человека сопровождаются как изотоническими, так и изометрическими сокращениями мышц. Поэтому можно говорить лишь об относительном преобладании изотонического и изометрического режима мышечной деятельности.

В экспериментальных условиях для мышечного сокращения доста­точно одного нервного импульса. Такое сокращение мышцы называют одиночным, оно протекает очень быстро, за несколько десятков миллисекунд. В естественных условиях в организме к мышце посылается всегда серия импульсов. В результате она не успевает полностью расслабиться после возбуждения, вызванного предыдущим импульсом, как новый импульс 1 вновь вызывает ее сокращение и т.д.

7.2.3. Работа и сила мышц

Величина сокращения мышцы при определенной силе раздражения зависит как от ее строения, так и физиологического состояния мышечных волокон:

1. Длинные мышцы сокращаются на большую величину, чем корот­кие.

2. Сила мышцы зависит от количества мышечных волокон в ней: чем больше количество сокращающихся волокон, тем больше развивае­мая мышцей сила сокращения. Поэтому мышцы с перистым строением (содержащие большее количество мышечных волокон) способны развивать большую силу, чем мышцы с продольно распо­ложенными волокнами.

3. Умеренное растяжение мышцы увеличивает ее сокращение. Но, при сильном растяжении сокращение мышцы ослабляется. По­следнее связано с тем, что нити актина утрачивают связи с нитями миозина (не перекрываются) и сократительный аппарат волокна не способен развить активную силу.

Рабочая гипертрофия мышц и атрофия. При систематической работе мышцы увеличивается масса мышечной ткани. Это явление называется рабочей гипертрофией мышечной ткани. В ее основе лежит увеличение массы цитоплазмы, митохондрий и числа миофибрилл, что приводит к увеличению диаметра мышечных волокон. В них ускоряются процессы биосинтеза нуклеиновых кислот, белков, АТФ, гликогена. В результате сила и скорость сокращения мышц возрастают. При отсутствии нагрузок на мышечную систему, в случаях длительного пребывания больного в постели, при переломах, возникает противоположное состояние - атрофия (гипотрофия) мышц.

7.2.4. Физическая работоспособность и физическое утомление

Способность человека совершать длительное время физическую (мышечную) работу называют физической работоспособностью. Величи­на физической работоспособности человека зависит от возраста, пола, трени­рованности, факторов окружающей среды (температуры, времени суток, со­держания в воздухе кислорода и т.д.) и функционального состояния организ­ма. Для сравнительной характеристики физической работоспособности раз­личных людей рассчитывают общее количество произведенной работы за 1 минуту, делят его на массу тела (кг) и получают относительную физиче­скую работоспособность ( кг*м/мин на 1кг массы тела ). В среднем уровень физической работоспособности юноши 20 лет составляет 15,5 кг*м/мин на 1кг массы тела, а у юноши-спортсмена того же возраста он достигает 25. В последние годы определение уровня физической работоспособности широко используют для оценки общего физического развития и состояния здоровья детей и подростков.

Длительные и интенсивные физические нагрузки приводят к вре­менному снижению физической работоспособности организма. Это фи­зиологическое состояние называют утомлением. В настоящее время пока­зано, что процесс утомления затрагивает, прежде всего, ЦНС, затем нерв­но-мышечный синапс и, в последнюю очередь - мышцу. Впервые значение нервной системы в развитии процессов утомления в организме было отмече­но И.М.Сеченовым. Доказательством справедливости этого заключения мож­но рассматривать обстоятельство, что интересная работа долго не вызывает утомления, а неинтересная - весьма быстро, хотя мышечные нагрузки в пер­вом случае могут даже превосходить работу, совершаемую тем же самым че­ловеком во втором случае.

Утомление представляет собой нормальный физиологический про­цесс, выработанный эволюционно для защиты систем организма от сис­тематического переутомления, которое является патологическим процессом и характеризуется расстройством деятельности нервной системы и других физиологических систем организма.

7.2.5. Возрастные особенности мышечной системы

Мышечная система в процессе онтогенеза претерпевает значительные структурные и функциональные изменения. Формирование мышечных клеток и образование мышц как структурных единиц мышечной системы происходит гетерохронно, т.е. сначала образуются те скелетные мышцы, которые необходимы для нормальной жизнедеятельности организма ребенка в данном возрастном этапе. Процесс "чернового" формирования мышц заканчивается к 7-8 неделе пренатального развития. После рождения процесс формирования мышечной системы продолжается. В частности, интенсивный рост мышечных волокон наблюдается до 7 лет и в пубертатный период. К 14 -16 годам микроструктура скелетной мышечной ткани практически полностью созревает, но утолщение мышечных волоков (со­вершенствование их сократительного аппарата) может продолжаться до 30 -35 лет.

Развитие мышц верхних конечностей опережает развитие мышц нижних конечностей. У годовалого ребенка мышцы плечевого пояса и рук развиты значительно лучше, чем мышцы таза и ног. Более крупные мышцы формируются всегда раньше мелких. Например, мышцы предплечья фор­мируются раньше мелких мышц кисти. Особенно интенсивно мышцы рук развиваются в 6 - 7 лет. Очень быстро общая масса мышц нарастает в пе­риод полового созревания: у мальчиков - в 13-14 лет, а у девочек - в 11- 12 лет. Ниже приведены данные, характеризующие массу скелетных мышц в процессе постнатального онтогенеза.

Значительно меняются в процессе онтогенеза и функциональные свойства мышц. Увеличивается возбудимость и лабильность мышечной ткани. Изменяется мышечный тонус. У новорожденного отмечается повы­шенный мышечный тонус, а мышцы-сгибатели конечностей преобладают над мышцами-разгибателями. В результате руки и ноги грудных детей находятся чаще в согнутом состоянии. У них плохо выражена способность мышц к расслаблению (с этим связана некоторая скованность движений детей), кото­рая с возрастом улучшается. Только после 13 - 15 лет движения становятся более пластичными. Именно в этом возрасте заканчивается формирование всех отделов двигательного анализатора.

В процессе развития опорно-двигательного аппарата изменяются двигательные качества мышц: быстрота, сила, ловкость и выносли­вость. Их развитие происходит неравномерно. Прежде всего, развиваются быстрота и ловкость.

Быстрота (скорость) движений характеризуется числом движений, которое ребенок в состоянии произвести за единицу времени. Она определя­ется тремя показателями:

1) скоростью одиночного движения,

2) временем двигательной реакции и

3) частотой движений.

Скорость одиночного движения значительно возрастает у детей с 4 -5 лет и к 13-15 годам достигает уровня взрослого. К этому же возрасту уровня взрослого достигает и время простой двигательной реакции, которое обу­словлено скоростью физиологических процессов в нервно-мышечном ап­парате. Максимальная произвольная частота движений увеличивается с 7 до 13 лет, причем у мальчиков в 7 -10 лет она выше, чем у девочек, а с 13 - 14 лет частота движений девочек превышает этот показатель у мальчиков. Наконец, максимальная частота движений в заданном ритме также резко уве­личивается в 7 - 9 лет. В целом, скорость движений максимально развивается к 16-17 годам.

До 13- 14 лет завершается в основном развитие ловкости, которая свя­зана со способностью детей и подростков осуществлять точные, координиро­ванные движения. Следовательно, ловкость связана:

1) с пространственной точностью движений,

2) с временной точностью движений,

3) с быстротой решения сложных двигательных задач.

Наиболее важен для развития ловкости дошкольный и младший школь­ный период. Наибольший прирост точности движений наблюдается с 4 - 5 до 7 - 8 лет. Интересно, что спортивная тренировка оказывает благотворное влияние на развитие ловкости и у 15 - 16 летних спортсменов точность дви­жений в два раза выше, чем у нетренированных подростков того же возраста. Таким образом, до 6 - 7 лет дети не в состоянии совершать тонкие точные движения в предельно короткое время. Затем постепенно развивается про­странственная точность движений, а за ней и временная. Наконец, в послед­нюю очередь совершенствуется способность быстро решать двигатель­ные задачи в различных ситуациях. Ловкость продолжает улучшаться до 17-18 лет.

Наибольший прирост силы наблюдается в среднем и старшем школь­ном возрасте, особенно интенсивно сила увеличивается с 10 - 12 лет до 16 -17 лет. У девочек прирост силы активируется несколько раньше, с 10 - 12 лет, а у мальчиков - с 13 - 14 лет. Тем не менее, мальчики по этому показателю во всех возрастных группах превосходят девочек.

Позже других двигательных качеств развивается выносливость, характеризующаяся тем временем, в течение которого сохраняется достаточ­ный уровень работоспособности организма. Существуют возрастные, поло­вые и индивидуальные отличия в выносливости. Выносливость детей до­школьного возраста находится на низком уровне, особенно к статической работе. Интенсивный прирост выносливости к динамической работе наблюдается с 11 - 12 лет Так, если принять объем динамической работы детей 7 лет за 100%, то у10-летних он составит 150%, а у 14-15-летних - более 400%. Так же интенсивно с 11-12 лет у детей нарастает выносливость к статическим нагрузкам. В целом, к 17-19 годам выносливость составляет около 85% от уровня взрослого. Своего максимального уровня она достигает к 25 - 30 го­дам.

Развитие движений и механизмов их координации наиболее интен­сивно идет в первые годы жизни и в подростковый период. У новорожденно­го координация движений очень несовершенна, а сами, движения имеют толь­ко бузусловно-рефлекторную основу. Особый интерес вызывает плаватель­ный рефлекс, максимальное проявление которого наблюдается примерно к 40 дню после рождения. В этом возрасте ребенок способен совершать в воде плавательные движения и держаться на ней до 15 минут. Естественно, что го­лова ребенка должна поддерживаться, так как его собственные мышцы шеи еще очень слабы. В дальнейшем рефлекс плавания и другие безусловные рефлексы постепенно угасают, а им на смену формируются двигательные на­выки. Все основные естественные движения, свойственные человеку (ходь­ба, лазанье, бег, прыжки и т.д.) и их координация формируются у ребенка в основном до 3 - 5 лет. При этом большое значение для нормального развития движений имеют первые недели жизни. Естественно, что и в дошкольном возрасте координационные механизмы еще очень несовершенны. Несмотря на это, дети способны овладевать относительно сложными движениями. В ча­стности, именно в этом возрасте они учатся орудийным движениям, т.е. дви­гательным умениям и навыкам пользоваться инструментом (молотком, ключом, ножницами). С 6 - 7 лет дети овладевают письмом и другими дви­жениями, требующими тонкой координации. К началу подросткового перио­да формирование координационных механизмов в целом завершается, и все виды движений становятся доступными для подростков. Конечно, совер­шенствование движений и их координации при систематических упражнени­ях возможно и в зрелом возрасте (например, у спортсменов, музыкантов и др.).

Совершенствование движений всегда тесно связано с развитием нервной системы ребенка. В подростковом периоде очень часто координа­ция движений вследствие гормональных перестроек несколько нарушается. Обычно к 15 - ] 6 годам это временное ухудшение бесследно исчезает. Общее формирование координационных механизмов заканчивается в конце подро­сткового возраста, а к 18 - 25 годам они полностью достигают уровня взрос­лого человека. Возраст в 18-30 лет считают «золотым» в развитии моторики человека. Это возраст расцвета его двигательных способностей.