§ 20. Мышцы, их строение, функции и регуляция сокращения. Работа мышц

Определения и обозначения

Мышца — орган, состоящий из мышечной и соединительной тканей, кровеносных сосудов и нервов. Мышечная ткань сокращается, а соединительная объединяет части органа и поддерживает его. Поэтому мышца может не только создавать усилие, но и получать питание и нервные команды.

Мышечное волокно — длинная многоядерная клетка, способная сокращаться. Внутри неё находятся многочисленные тонкие сократительные структуры, а оболочка отделяет содержимое клетки от окружающей среды. Волокна составляют основную рабочую часть мышцы, поэтому именно их сокращение создаёт мышечное усилие.

Миофибрилла — сократительная структура внутри мышечного волокна, образованная нитями белков актина и миозина. Эти белки взаимодействуют и обеспечивают укорочение волокна. Миофибриллы позволяют понять, как процессы внутри одной клетки превращаются в работу целого органа.

Двигательная единица — двигательный нейрон и все мышечные волокна, которые он иннервирует, то есть передаёт им нервные сигналы. Нейрон управляет сокращением нескольких волокон одновременно. Это понятие объясняет, как нервная система распределяет команды и регулирует работу мышц.

Как это устроено

Мышца объединяет множество мышечных волокон, соединительную ткань, сосуды и нервы, поэтому работает как единый орган. Соединительная ткань связывает её части и продолжается в сухожилия — плотные образования, прикрепляющие мышцу к кости. Когда мышца сокращается, сухожилие передаёт усилие к кости, и та движется в суставе. Сосуды доставляют тканям кислород и питательные вещества, необходимые для работы.

Внутри мышечного волокна расположены миофибриллы с нитями актина и миозина. При сокращении нити взаимодействуют и скользят друг относительно друга, подобно двум рядам, которые заходят один между другим. Сами нити при этом не укорачиваются: уменьшается расстояние между их участками, поэтому укорачиваются миофибриллы и всё волокно. Так множество микроскопических изменений создаёт заметное сокращение мышцы.

Сокращение начинается с нервного импульса, который достигает мышцы и передаёт сигнал волокнам. В ответ внутри клетки запускаются процессы, позволяющие актину и миозину взаимодействовать. Чтобы это взаимодействие происходило, необходима энергия АТФ — вещества, которое служит источником энергии для клеточных процессов. Значит, для сокращения нужны и команда нервной системы, и работа сократительных белков, и энергетическое обеспечение.

Движение возникает потому, что сокращающаяся мышца тянет кость через сухожилие. Многие мышцы работают парами: мышцы-антагонисты действуют противоположно, поэтому одна мышца сгибает часть тела, а другая разгибает. Например, при сгибании руки в локте сокращается бицепс, а при разгибании ведущую роль принимает трицепс. Согласованная работа разных мышц делает движения точными и позволяет удерживать положение тела.

При статической работе мышцы сохраняют напряжение, но заметного движения не происходит; при динамической они меняют длину и перемещают части тела. Чем дольше и интенсивнее нагрузка, тем быстрее мышцам становится трудно поддерживать прежнюю работоспособность. Это состояние называют утомлением. Отдых нужен, чтобы восстановить работоспособность мышц и подготовить их к дальнейшей нагрузке.

Сравнение видов мышечной работы

Чтобы определить вид работы, сначала выясните, меняется ли длина мышцы, а затем проверьте, есть ли движение. Неподвижное положение не означает, что мышца бездействует: при удерживании предмета она может оставаться напряжённой.

Разбор задач

Задача 1. Ученик удерживает поднятый портфель неподвижно. Определите вид мышечной работы и объясните, почему мышцы утомляются.

1. Портфель не перемещается, значит, заметного движения нет.
2. Чтобы удержать его, мышцы плеча и руки должны сохранять напряжение.
3. Постоянная нагрузка продолжается всё время удерживания, поэтому работоспособность мышц постепенно снижается.

Ответ: это статическая работа. Мышцы утомляются, потому что долго остаются напряжёнными, даже если рука неподвижна.

Задача 2. При сгибании руки в локте бицепс сокращается, а при разгибании действие мышц меняется. Объясните роль бицепса и трицепса.

1. Определите, какое движение происходит: при сгибании предплечье приближается к плечу.
2. Бицепс сокращается и тянет кость через сухожилие, поэтому участвует в сгибании.
3. При разгибании нужно противоположное действие, которое выполняет трицепс; пара действует как мышцы-антагонисты.

Ответ: бицепс сгибает руку в локтевом суставе, а трицепс разгибает её. Их противоположная работа позволяет менять положение предплечья.

Задача 3. При раздражении двигательного нерва мышечные волокна сокращаются, а при нарушении передачи сигнала от нерва сокращения нет. Объясните наблюдение.

1. Раздражение нерва вызывает импульс, который достигает мышечных волокон.
2. Этот сигнал запускает внутри волокон процессы, необходимые для взаимодействия актина и миозина.
3. Если передача сигнала нарушена, команда не доходит до волокон и сокращение не запускается, хотя сократительные белки находятся в мышце.

Ответ: сокращение регулируется нервным импульсом, а выполняется благодаря взаимодействию актина и миозина. Для этого взаимодействия также требуется энергия АТФ.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что мышца состоит только из мышечных волокон. Так думают, потому что именно волокна сокращаются и создают усилие. Но мышца — орган, в который также входят соединительная ткань, сосуды и нервы; проверить себя можно, вспомнив, откуда волокна получают питание и команды.

Ошибка: представлять сокращение как укорочение нитей актина и миозина. Слово «сокращение» легко принять за уменьшение длины каждой части. На самом деле нити скользят относительно друг друга, а укорачиваются миофибриллы и волокно; спросите себя, что именно меняет длину.

Ошибка: считать статическую работу отсутствием работы. Если тело не движется, может показаться, что мышцы не действуют. Но при удерживании позы они напряжены; проверьте, требуется ли усилие, чтобы сохранить положение.

Ошибка: думать, что мышца получает команду без нервной системы. Само наличие сократительных белков не запускает работу по команде извне. Сокращение регулирует нервный импульс, а его осуществление требует энергии; для проверки разделяйте сигнал и процессы внутри волокна.

Связь с другими темами

Чтобы понять сокращение мышц, нужны знания о строении клетки и нервной регуляции. Представление об АТФ как источнике энергии помогает объяснить, почему работа сократительных белков требует энергетических затрат.

Мышцы связаны с опорно-двигательной системой: сухожилия передают их усилие костям, а кости движутся в суставах. Кости при этом работают как рычаги, изменяя направление и результат действия мышц.

Эти знания пригодятся при изучении физической нагрузки, утомления и гигиены мышечной деятельности. Понимание роли отдыха помогает разумно чередовать нагрузку и восстановление, что важно для сохранения здоровья.

Что запомнить

• Мышца — орган, а мышечное волокно — его клетка.
• Миофибриллы содержат сократительные белки актин и миозин.
• При сокращении нити актина и миозина скользят относительно друг друга.
• Для мышечного сокращения необходимы нервный импульс и энергия АТФ.
• Мышцы-антагонисты обеспечивают противоположные движения.
• Статическая работа поддерживает напряжение без заметного движения, динамическая сопровождается изменением длины мышцы и движением.
• Длительная интенсивная работа приводит к утомлению; отдых помогает восстановить работоспособность.