Структурные изменения в костной системе под влиянием физических нагрузок

13

Министерство образования и науки Украины

Открытый международный университет развития человека “Украина”

Горловский филиал

по дисциплине: Спортивная морфология

ТЕМА:

Структурные изменения в костной системе под влиянием физических нагрузок

2008

1. Общие положения

Изучение адаптационных изменений, происходящих в костной системе под влиянием занятий спортом, имеет не только теоретическое, но и практическое значение. Разнообразие функций скелета, механических и биологических, удивительная его лёгкость, прочность и надёжность давно привлекали внимание исследователей. Многочисленные и тщательно проведённые наблюдения показали его большую пластичность и способность к перестройке при изменяющихся условиях как внутренней, так и внешней среды организма. Методом меченых атомов (по Р³², Са⁴⁵) установлено, что ежедневно в организме обменивается от 10 до 20% минеральных веществ костной ткани. По данным Г. Гевеси (1940), в течение 50 дней обменивается 29% фосфора эпифизов бедренной и большеберцовой костей, почти половина минеральных веществ лопатки, и осуществляется полное обновление фосфатидов костного мозга. Не вызывают уже сомнения факты количественной и качественной перестройки структур костной ткани у спортсменов, систематически переносящих большие физические нагрузки.

Понимание процессов, происходящих в костной системе у спортсменов на тканевом и органном уровнях, позволит тренерам и педагогам по физическому воспитанию и спорту не только судить о вопросах и способах формообразования скелета, но и подойти к вопросам управления этими процессами с целью гармоничного развития организма человека. Для практики спорта и, в частности, для спортивного отбора значительный интерес представляет и изучение пропорций тела, его тотальных и парциальных размеров, обусловливаемых степенью развития костной системы. Далеко не безразлично, например, значение роста для баскетболистов, длины руки для копьеметателя, длины предплечья для волейболиста или длины кисти для гимнаста.

Под влиянием занятий спортом в скелете помимо прогрессивных изменений, увеличивающих его прочность и надёжность, могут появляться предпатологические и патологические изменения в виде костных выступов - остеофитов, участков разряжения костной ткани и др., характеризующие состояние перетренированности организма. Зная о подобных изменениях скелета, тренеры могут избежать их, корригируя соответствующим образом тренировочные нагрузки. В условиях всевозрастающих нагрузок (как тренировочных, так и соревновательных) наблюдения за состоянием костной системы спортсмена становятся необходимыми, особенно в свете оздоровительных задач советского спорта в целом.

В «Основах теоретической анатомии» (ч. Й, Спб, 1892) П.Ф. Лесгафт сформулировал общий основной закон остеологии, который гласит, что «костная система человеческого организма устроена таким образом, что при наибольшей лёгкости она представляет наибольшую крепость и всего лучше в состоянии противодействовать влиянию толчка и сотрясения. Рычаги, входящие в состав этой системы, у человека приноровлены больше к ловким и быстрым движениям, чем к проявлению большой силы».

При изучении изменений, происходящих в костной системе под влиянием физических нагрузок, применяются различные методы.

Антропометрический метод позволяет количественно определить тотальные и парциальные размеры костей, а также их изменения в процессе занятий спортом. Например, изменение диаметров дистальных концов плеча , предплечья, бедра и голени позволяет определить абсолютное и относительное количество костного компонента в весе тела.

Для определения абсолютной массы костной ткани предложена формула:

O=Lo²к, где

O - абсолютная масса костной ткани (в кг);

L - длина тела (в см);

о - средняя величина диаметров дистальных эпифизов плеча, предплечья, бедра, голени;

к - коэффициент, равный 1,2.

С целью сопоставления развития костного компонента у лиц, имеющих разные показатели веса тела, принято наряду с абсолютными величинами определять и относительные, которые вычисляются в процентах от веса тела. Для этого абсолютная величина исследуемого компонента веса тела делится на вес тела и умножается на 100.

Преимущество рентгенографического метода заключается в возможности прижизненного изучения формы, величины и внутреннего строения кости в процессе занятий спортом. Этот метод был впервые применён в анатомии при исследовании скелета в 1896г. В.Н. Тонковым, а в 1897г. в печати появилась блестящая статья П.Ф. Лесгафта «О применении лучей Рентгена к анатомическим исследованиям живого человека». В дальнейшем этот метод был широко использован М.Ф. Иваницким, М.Г. Привесом, А.И. Кураченковым и др. при изучении изменений костной системы под влиянием физических нагрузок.

Экспериментальным методом можно выяснить на животных изменения костной ткани и отдельных костей под влиянием нагрузок разной величины и интенсивности как на микро-, так, и на макроскопическом уровнях. Одним из первых в России этот метод ввёл в анатомию П.Ф. Лесгафт. В опытах на животных он убедительно показал, что под влиянием сильного сжатия понижается рост костей и изменяется их форма. Экспериментальный метод получил особенно широкое распространение в настоящее время.

Методы исследования механических свойств костей заключаются в изучении прочности, упругости и эластичности костной ткани. Ещё Г. Вертгейм (1847) изучал коэффициент эластичности костей. П.Ф. Лесгафт (1893) произвёл ряд экспериментов по измерению сопротивляемости костей таза, которая в среднем оказалась равной 1254,36 кг. Позднее А.В. Русаков (1932) установил модуль упругости компактного вещества кости при его растяжении, сжатии и скручивании.

А.С. Обысов, В.П. Валуев, А.А. Саблин, А.П. Пименова и др. в 60-х годах изучали физико-химические свойства тканей двигательного аппарата. При определении предела прочности плечевой кости, взятой от трупа человека 45 лет с хорошо развитой мускулатурой, оказалось, что он составляет 242кг/см³. В настоящее время известно, что бедренная кость в вертикальном положении выдерживает давление в 1,5 тонны, а большеберцовая кость - до 1,8 тонны. Полученные данные указывают на большую прочность и высокую надёжность костной системы.

Для определения степени воздействия нагрузки на кости скелета собаки М.Г. Привес впервые применил метод меченых атомов. Щенки одного помета бегали в тредбане ежедневно 1-2 часа на протяжении двух недель. При этом нагрузке подвергались только три конечности. После двух недель тренировки животным был введён радиоактивный фосфор (Р³²) и по степени его накопления в костях было показано, что кости скелета, расположенные ближе к площади опоры, испытывают большую нагрузку, а следовательно, подвергаются большей перестройке.

С помощью люминесцентного метода выявляют изменения в аппозиционном росте костей под влиянием повышенной функции мышц. При люминесцентном методе животному вводят биомицин в дозе 300 тыс. единиц на 1 кг веса, который откладывается в костях и флюоресцирует в ультрафиолетовом свете. По интенсивности желтого свечения можно судить об изменении поверхностного роста костей. В опытах Б.А. Никитюка удаление мышц-сгибателей плеча и разгибателей предплечья вызывало ослабление свечения кости, что указывало на задержку её аппозиционного роста.

Гистологический и гистохимический методы приносят большую пользу в познании тонкого строения клеток и тканей. Использование светового и электронного микроскопов даёт возможность изучить структурную перестройку костной ткани на клеточном уровне.

2. Адаптационные изменения в костной системе у спортсменов

Адаптационные изменения в костной системе у спортсменов происходят на разных уровнях её организации: молекулярном, субклеточном, клеточном, тканевом, органном и системном.

1. На молекулярном уровне в костной ткани констатируется повышенный синтез белков, мукополисахаридов, ферментов и других органических веществ, усиливается отложение неорганических веществ, обеспечивающих высокую степень прочности костной ткани. Степень увеличения мукополисахаридов в костной ткани находится в прямой зависимости от интенсивности нагрузки: чем она интенсивнее, тем больше количество мукополисахаридов определяется в костях. Естественно, что этот сложный биологический процесс тесно связан с функцией органоидов клеток костной ткани - митохондрий, рибосом, лизосом, цитоплазматической сети.

2. На тканевом уровне отмечается повышенная остеонизация костной ткани. Е.А. Клебанова (1954) отмечает, что на тренировку костная ткань реагирует в первую очередь образованием новых остеонов, которые являются зрелыми, дифференцированными структурами, обладающими достаточным запасом прочности.

Вместе с этим происходит разрушение старых остеонов и образование большого количества новых костных пластин, значительно более упругих.

Таким образом, все клеточные элементы костной ткани - остеобласты, остеоциты и остеокласты функционально взаимосвязаны в процессе её перестройки.

3. На органном уровне во всех костях скелета наблюдаются следующие адаптационные изменения:

1) изменения химического состава;

2) изменения формы;

3) изменения внутреннего строения;

4) изменения роста и сроков окостенения;

Химический состав костей под влиянием нагрузок несколько сдвигается в сторону увеличения содержания неорганических веществ (кальция, фосфора). Преобладание минерального компонента сопровождается увеличением плотности костной ткани до 1,55 г/см³. Форма костей скелета значительно меняется в связи с повышенной мышечной деятельностью. В местах прикрепления сухожилий мышц образуются гребни, бугры, шероховатости. Они тем больше, чем сильнее развиты мышцы.

Так, например, у штангистов сильно меняется форма лопатки и ключицы. Ключица утолщается, материальный (подмышечный) край лопатки становится неровным, и треугольная форма не нарушается. У пловцов в связи с гипертрофией дельтовидной мышцы увеличивается диафиз плечевой кости, хирургическая шейка сглаживается. У гребцов на байдарке становится слабо выраженной шейка лучевой кости в результате увеличения бугристости, где прикрепляется двуглавая мышца плеча (М.Г. Привес, 1956,1961). У боксёров и штангистов может изменяться даже изгиб диафиза лучевой кости. У гимнастов кости запястья характеризуются угловатой формой, особенно отличаются размерами и своеобразными очертаниями трапециевидная, головчатая и ладьевидная кости. У занимающихся художественной гимнастикой, фехтованием и метанием молота ладьевидная и полулунная кости приобретают округлую форму (К.Л. Ивкина, Е.Л. Супряга, 1969).

У легкоатлетов, спортигровиков, гимнастов, лыжников и прыгунов в воду в области таза отмечаются значительные изменения формы вертлужной впадины (О.Н. Аксёнова, 1969). У метателей диска утолщается дистальный конец диафиза бедра. У бегунов наблюдается сильное утолщение большеберцовой кости в области её бугристости и малоберцовой - в области её головки (К.И. Машкара, 1966). У хоккеистов и борцов увеличивается ширина проксимальных эпифизов костей голени (Н.А. Левина, 1965).

Значительные изменения претерпевают позвонки, форма которых становится четырёхугольной или клиновидной. Четырёхугольная форма наблюдается преимущественно у пловцов. Клиновидная форма с клином, суживающимся кпереди, - у штангистов (М.Г. Привес, 1956, 1961), гребцов и велосипедистов (А.И. Кураченков, О.В. Винтергальтер, 1961), с клином, суживающимся кзади, - у борцов, применяющих сложные приёмы в партере с мостом (Ф.В. Судзиловский, О.П. Хромов, 1966).

Морфологические изменения в строении костной системы спортсменов касаются: а) надкостницы, б) компактного и губчатого вещества и в) костномозговой полости.

Надкостница костей в процессе занятий физическими упражнениями сильно утолщается вследствие повышенной функции её внутреннего, камбиального или костеобразующего слоя. А.И. Кураченков наблюдал у юных спортсменов, как невидимая обычно на рентгенограммах надкостница в определённой фазе становится видимой в виде узкой полосы, прилегающей к компактному слою кости. В дальнейшем окостеневающая часть надкостницы сливается с компактным слоем диафиза, обусловливая его утолщение.

Компактное вещество костей, как правило, у спортсменов утолщается (рис.12). Симметричное утолщение компактного слоя на костях конечностей отмечается у пловцов, бегунов, штангистов, конькобежцев и футболистов. В таких же видах спорта, как теннис и метания, в которых верхние конечности человека подвергаются неодинаковым нагрузкам, наблюдаются асимметричные изменения толщины компактного слоя костей. И у теннисистов, и у метателей преимущественные изменения компактного слоя происходят на правой конечности, но в разных её сегментах.

У фехтовальщиков рабочая гипертрофия, как и у метателей, наблюдается преимущественно на верхней правой конечности в плечевой кости и в области 1-й пястной кости, а на нижней конечности в области бугра пяточной кости (в связи с выпадами и ударами пяткой об опорную поверхность).

Ассиметричные изменения компактного слоя костей отмечаются также у боксёров (Л.П. Астанин,1951; А.И. Кураченков, 1958). Наибольшему воздействию подвергается кисть, особенно головки пястных костей - Й, ЙЙЙ, V. Компактный слой их утолщён, что характеризует очень интенсивную физиологическую перестройку кости.

У легкоатлетов-прыгунов происходит перестройка компактного вещества в костях преимущественно на толчковой ноге. Поперечный размер диафиза бедренной кости толчковой ноги превышает соответствующий размер бедренной кости другой ноги на 1-5 мм (А.И. Кураченков).

У велосипедистов наблюдается равномерное увеличение компактного слоя по всей длине диафиза бедренной кости (Н.В. Крылова, 1964). На костях голени компактный слой развит не однотипно и на различных уровнях имеет неодинаковую толщину. Для велосипедистов, выступающих на треке, характерно увеличение компактного слоя на наружной и внутренней поверхностях большеберцовой кости, особенно в средней её трети (15-16 мм). На малоберцовой кости компактный слой увеличен в основном на задней её поверхности и достигает наибольшей толщины в нижней трети (17-18 мм).

Изучение рентгенограмм костей верхней конечности у стрелков (Е.Н. Петерсов, Ф.В. Судзиловский, О.П. Хромов) показало неравнозначные изменения костей у стрелков из винтовки и стрелков из пистолета. У стрелков из винтовки не обнаружено каких-либо существенных изменений в плечевой кости и в костях кисти, изменения локализуются преимущественно в костях предплечья. В лучевой кости за счёт утолщения компактного слоя увеличены размеры диафиза шейки и дистального эпифиза, в локтевой кости - диафиза и проксимального эпифиза. Причина столь избирательной реакции, по мнению авторов, заключается в особенностях биомеханической работы, при которой кости предплечья у стрелков из винтовки постоянно подвергаются длительному сжатию. Момент вращения силы тяжести предплечья уравновешивается моментом вращения силы мышц-сгибателей и супинаторов предплечья. Постоянное и длительное напряжение этих мышц и вызывает соответствующую перестройку костей.

У стрелков из пистолета основную нагрузку несёт правая верхняя конечность, удерживающая оружие. У них в отличие от стрелков из винтовки наблюдаются изменения во всех звеньях рабочей конечности. На плечевой кости имеется утолщение проксимального эпифиза, анатомической шейки и диафиза (особенно в области дельтовидной бугристости), на локтевой - утолщение диафиза и проксимального эпифиза, в скелете кисти - увеличение толщины компактного слоя в диафизах ЙЙЙ, ЙV и V пястных костей. Пистолет, удерживаемый в вытянутой руке, увеличивает плечо силы тяжести верхней конечности и момент её вращения по отношению к центру плечевого сустава. Это приводит к увеличению моментов вращения дельтовидной и надостной мышц, что вызывает соответствующие изменения проксимального эпифиза плечевой кости. Изменения в локтевой кости можно объяснить тем, что она противостоит действию увеличивающегося момента силы тяжести в отношении локтевого сустава. Рукоятка пистолета оказывает давление в основном на ЙЙЙ, ЙV и V пястные кости.

В настоящее время установлены три вида строения губчатого вещества кости: мелкоячеистое, среднеячеистое и крупноячеистое. У людей, не занимающихся спортом, губчатое вещество эпифизов костей обычно имеет периферическую зону с относительно мелкими ячейками и центральную - с более крупными ячейками.

Высокие спортивные нагрузки, как правило, приводят к увеличению размеров ячеек губчатого вещества. Эпифизарные отделы трубчатых костей приобретают более однородную крупноячеистую структуру уже без разделения губчатого вещества на периферическую и центральную зону (рис. 13).

По наблюдениям А.И. Кураченкова (1958), у штангистов ячейки губчатого вещества эпифизов костей кисти становятся почти квадратными или округлыми, на стопе же мощные костные пластинки располагаются по длиннику костей и имеют едва заметные перпендикулярно идущие перекладины. Крупноячеистая структура губчатого вещества отмечена в костях гимнастов, борцов, тяжелоатлетов и велосипедистов.

Костномозговая полость в костях спортсменов в связи с утолщением компактного слоя уменьшается. На рентгенограммах она иногда имеет вид узкой щели между двумя тенями сильно развитого компактного вещества.

Рост костей непосредственно связан с процессом синостозирования, или окостенения, и продолжается до тех пор, пока не образуются синостозы в области эпифизарных хрящей. Вопросу влияния физических нагрузок на рост костей посвящено значительное число работ. Большинство исследований проводилось на животных. Стимулирующее влияние повышенной физической нагрузки на рост кости в длину констатировали в условиях эксперимента Е.А. Котикова (1927), Е.А. Клебанова (1952, 1954), В.В. Бунак (1954, 1960), Д.А. Жданов (1964) и др. При повышенной физической нагрузке динамического характера (скоростной бег в тредбане) Е.А. Кленова наблюдала у собак некоторую стимуляцию продольного роста трубчатых костей и наряду с этим увеличение их веса и изменение формы.

Обычно нагрузки статического характера вызывают некоторое укорочение костей, но не вследствие снижения интенсивности продольного роста, а вследствие задержки окостенения. Ростовая зона, как правило, не реагирует не на увеличение, ни на уменьшение статической нагрузки, а при определённой дозировке динамической нагрузки размеры сегментов конечностей увеличиваются.

А.И. Кураченков, наблюдавший юных спортсменов, занимающихся лёгкой атлетикой (бег, прыжки, метание), тяжёлой атлетикой, боксом, футболом, фехтованием и конькобежным спортом, не отмечает изменений в процессах созревания скелета и в росте костей в длину. Между тем, К.И. Машкара установила, что физические нагрузки у воспитанников ремесленных училищ приводят к замедлению процессов синостозирования, в результате чего трубчатые кости их растут дольше, чем у учащихся средних школ.

И.Н. Преображенская и А.Н. Габузов наблюдали замедление синостозирования в дистальном отделе костей предплечья у акробатов, пловцов, гребцов и метателей диска, а также увеличение сроков роста костей в длину. В сесамовидных костях кисти, увеличивающих плечо силы мышц, у теннисистов и тяжелоатлетов наблюдается более ранний переход хрящевой ткани в костную (К.И. Машкара, 1966; Е.И. Шидловская, 1972).

Рассматривая костную систему на уровне целостного организма, можно констатировать, что все адаптационные изменения в ней протекают как благоприятные, прогрессивные и носят характер рабочей гипертрофии. Рентгенологически рабочая гипертрофия костей у юных спортсменов отмечается через 6-7 месяцев после начала тренировок, а у спортсменов среднего и старшего возраста через 1-1,5 года. Общие адаптационные изменения происходят во всех костях скелета, а локальные - в наиболее нагруженных его отделах. М.Г. Привес и К.И. Машкара (1961) наблюдали обратное развитие рабочей гипертрофии костей при снятии физической нагрузки.

Таким образом, наблюдаемые изменения в костной системе у спортсменов отражают ту морфофункциональную перестройку, которая обусловлена прогрессивными сдвигами в организации опорно-двигательного аппарата под влиянием специфической спортивной деятельности.

Список литературы

1. Аршавский И.А. Физиологические механизмы и закономерности индивидуального развития. - М., 1982.

2. Анатомия спортивной морфологии (практикум). - М.: ФиС, 1989.

3. Глухих Ю.Н., Серебряков Г.Н. Основы динамической морфологии. - Омск, СибГАФК, 1998.

4. Лысов П.К., Никитюк Б.Д., Сапин М.Р. Анатомия (с основами спортивной морфологии. - М.: Медицина, 2003.

5. Морфология человека / Под ред. Б.А. Никитюка, В.П. Чтецова. - М.: Изд-во МГУ, 1990.