Как растут кости человека и почему они прочные

Из чего состоит кость и почему она выдерживает огромные нагрузки

Костная ткань кажется монолитным сухим камнем, но внутри это живая, насыщенная кровеносными сосудами и нервами структура. Ее прочность превосходит гранит и почти равняется чугуну при растяжении. Достигается такое сочетание легкого веса и колоссальной стойкости благодаря точно выверенной пропорции двух компонентов, органических и неорганических веществ.

Органическую основу кости составляет белок коллаген, на который приходится примерно треть массы сухой кости. Коллагеновые нити собираются в пучки и спирали, образуя своеобразный упругий каркас. Именно коллаген придает костям эластичность, позволяя скелету слегка пружинить при прыжках, резких ударах и беге, защищая кости от мгновенного раскалывания.

Остальные две трети сухой массы костной ткани представлены минеральными солями, преимущественно кристаллической формой фосфата кальция, называемой гидроксиапатитом. Также в состав входят соединения магния, натрия, фтора и карбонаты. Эти минералы плотно осаждаются на коллагеновых волокнах, заполняя мельчайшие пустоты между ними и придавая всей конструкции невероятную твердость и сопротивляемость сжатию.

В школьных лабораториях свойства компонентов часто проверяют двумя классическими наглядными опытами. Если подержать куриную кость несколько дней в растворе соляной кислоты, минеральные соли полностью растворятся. Оставшаяся кость сохранит точную форму, но превратится в мягкую резиновую трубку, которую легко завязать в узел. Если же кость аккуратно прокалить на огне, полностью сгорит органический коллаген, превратившись в углекислый газ и воду. Минеральный остаток сохранит очертания, но рассыплется в белый порошок от легкого нажатия пальцем.

Анатомическое строение трубчатой кости

Строение костей зависит от их расположения и задач, но лучше всего устройство скелета видно на примере длинных трубчатых костей рук и ног. Каждая такая кость делится на три основные части.

• Диафиз представляет собой среднюю цилиндрическую часть кости в форме полой трубки с толстыми и плотными стенками.
• Эпифизы образуют утолщенные округлые концы кости, участвующие в создании подвижных суставов с соседними костями.
• Метафизы служат переходными зонами между средней частью и суставными головками, именно здесь у детей сосредоточены главные зоны удлинения скелета.

Стенка средней части состоит из компактного вещества, сложенного из микроскопических цилиндров, остеонов. В центре каждого остеона проходит узкий канал с кровеносными сосудами и нервными волокнами, вокруг которого слоями располагаются концентрические костные пластинки. Внутри суставных головок ткань меняет рисунок и превращается в губчатое вещество. Оно сложено из множества тонких костных перекладин, ориентированных строго вдоль линий механического напряжения, возникающего при ходьбе и подъеме тяжестей.

Полость внутри трубчатой кости снижает общий вес скелета без потери несущей способности, повторяя инженерный принцип пустотелых стальных опор в строительстве мостов. В этой внутренней полости у взрослых людей залегает желтый костный мозг, состоящий преимущественно из жировой ткани. Ячейки губчатого вещества заполнены красным костным мозгом, непрерывно вырабатывающим клетки крови.

Как кости увеличиваются в длину

В период внутриутробного развития почти весь скелет будущего ребенка закладывается из гибкого гиалинового хряща. Постепенно хрящевая ткань разрушается и уступает место истинной кости, но к моменту рождения процесс окостенения далеко не завершен. На границе между эпифизами и диафизом сохраняются особые пластинки хряща, метафизарные пластинки роста.

Рост кости в длину происходит благодаря непрерывной работе клеток этих пластинок. Процесс разворачивается последовательными шагами.

1. Хрящевые клетки хондроциты в пластинке роста начинают стремительно делиться, образуя вертикальные столбики клеток и отодвигая головку кости дальше от середины.
2. Старые хрящевые клетки увеличиваются в размерах, накапливают гликоген и запускают первичное отложение солей кальция в окружающем матриксе.
3. Клетки хряща постепенно погибают от недостатка питания из-за минерализации межклеточного вещества вокруг них.
4. Со стороны диафиза в освободившееся пространство прорастают микроскопические кровеносные капилляры, несущие с собой молодые костеобразующие клетки остеобласты.
5. Остеобласты начинают активно выделять коллагеновый остеоид, который пропитывается кристаллами фосфата кальция, замещая бывший хрящ зрелой костной тканью.

Этот процесс продолжается до окончания полового созревания. Под воздействием гормонов взросления скорость деления хряща замедляется, а фронт окостенения догоняет хрящевую прослойку. Зоны роста полностью закрываются твердой костной тканью примерно к 18-21 году у девушек и к 20-25 годам у юношей, после чего естественный рост человека в длину навсегда прекращается.

За счет чего кости утолщаются

Снаружи вся кость, кроме суставных поверхностей, покрыта тонкой, но очень прочной соединительнотканной пленкой, надкостницей. Надкостница густо пронизана нервными окончаниями и сетью артерий, уходящих вглубь костного вещества через питательные отверстия.

Во внутреннем слое надкостницы находятся незрелые клетки-предшественники. По мере необходимости они превращаются в остеобласты и накладывают свежие слои костных пластинок на наружную поверхность диафиза. Этот процесс называется аппозиционным ростом. Параллельно с этим со стороны внутренней полости другие клетки, остеокласты, аккуратно растворяют старую кость изнутри. Благодаря согласованной работе этих двух типов клеток кость расширяется в диаметре, а костномозговой канал внутри пропорционально увеличивается, сохраняя кость легкой и прочной.

Надкостница выполняет важную функцию заживления при трещинах и переломах. При повреждении ее клетки активизируются, начинают делиться и формируют вокруг места травмы плотную костную мозоль, восстанавливающую целостность скелета за несколько недель или месяцев.

Клеточная фабрика, перестраивающая скелет

Даже после завершения роста кости взрослого человека никогда не остаются застывшей структурой. Костная ткань постоянно обновляется в течение всей жизни, полностью заменяясь на новую примерно за десять лет. Непрерывную реконструкцию обеспечивают три типа костных клеток.

• Остеобласты являются клетками-строителями, они синтезируют волокна коллагена и организуют кристаллизацию соединений кальция на белковом каркасе.
• Остеоциты образуются из остеобластов, замуровавших самих себя в затвердевшем минеральном веществе, они поддерживают химический баланс вокруг себя и передают сигналы о механической нагрузке.
• Остеокласты представляют собой крупные многоядерные клетки-разрушители, выделяющие кислоты и ферменты для бережного растворения старой или изношенной костной ткани.

Что необходимо организму для крепкого скелета

Формирование здоровых костей в детском и подростковом возрасте напрямую зависит от питания и образа жизни. Кальций поступает с пищей, усваиваясь в тонком кишечнике. Богатыми источниками кальция служат твердые сыры, творог, кунжут, миндаль, петрушка и бобовые культуры.

Одного кальция из пищи недостаточно, организму требуются сопутствующие вещества для правильного минерального обмена.

• Витамин D вырабатывается в коже под действием солнечного света и помогает клеткам кишечника захватывать кальций из пищи и отправлять его в кровеносное русло.
• Фосфор соединяется с кальцием для построения кристаллической решетки гидроксиапатита костной ткани.
• Белки из пищи поставляют аминокислоты для синтеза собственного коллагена организма.
• Физическая активность заставляет кости испытывать естественное давление, стимулируя остеоциты передавать сигнал к уплотнению ткани.