Мышечная система — это основа основ физического здоровья. Анатомия мышц человека представлена более 600 различными волокнами, которые составляют до 47 % от общей массы организма. От их функциональности зависит не только передвижение тела в пространстве, но и многие физиологические процессы: глотание, кровообращение, жевание, обмен веществ, сердечные сокращения и т. д. Мышечный каркас формирует строение тела, обеспечивает положение относительно окружающих предметов, позволяет человеку принимать участие в различных физических действиях и выполнять большую часть работ. Поэтому подробное изучение строения мышц, их классификации и функциональности считается одним из ключевых разделов анатомии.
Детальное строение мышечной ткани
Каждая отдельно взятая мышца — это целостный орган, состоящий из множества маленьких мышечных волокон — миоцитов, а также плотной и рыхлой соединительной ткани в различном соотношении. В ней выделяют 2 функциональные зоны: брюшко и сухожилие. Брюшко выполняет в основном сократительную функцию, поэтому представлено комбинацией соединительнотканного вещества и миоцитов, способных к сокращению и возбуждению. Сухожилие же считается пассивной частью мышцы. Оно располагается по краям и состоит из плотной соединительной ткани, благодаря которой осуществляется прикрепление волокон к костям и суставам.
Иннервация и кровоснабжение каждой мышцы осуществляется за счёт тончайших капилляров и нервных волокон, расположенных между пучками из 10–50 миоцитов. Благодаря этому мышечная ткань получает необходимое питание, снабжается кислородом и полезными веществами, а также может сокращаться в ответ на переданный нервной тканью импульс.
Каждое мышечное волокно выглядит как длинная многоядерная клетка, длина которой в разы превышает поперечное сечение. Оболочка, покрывающая миоцит, объединяет различное количество мелких миофибрилл, в зависимости от числа которых, выделяют белые и красные мышцы. В белых миоцитах число миофибрилл выше, поэтому они быстрее реагируют на импульс и активнее сокращаются. Красные волокна относятся к группе медленных, поскольку в них количество миофибрилл меньше.
Каждая миофибрилла состоит из ряда веществ, от которых зависят функциональные особенности и свойства мышц:
- Актин — это аминокислотная белковая структура, способная к сокращению.
- Миозин — главная составляющая миофибрилл, сформированная полипептидными цепочками из аминокислот.
- Актиномиозин — комплекс белковых молекул актина и миозина.
Основную часть миоцитов составляют белки, вода и вспомогательные компоненты: соли, гликоген и др. Причём большую часть составляет именно вода — её процентное соотношение колеблется в диапазоне 70–80 %. Несмотря на это, каждое отдельно взятое мышечное волокно крайне сильное и устойчивое, и эта сила увеличивается в зависимости от количества миоцитов, объединённых в мышцу.
От чего зависит сила, кроме размера мышц
Чем объёмнее мышца, тем толще её волокна и тем больше силы она способна произвести во время сокращения. Поэтому бодибилдеры сильнее нетренированных людей. Но в то же время они слабее атлетов силового спорта, у которых столько же или меньше мышечной массы. А значит, помимо объёма мышечных волокон, есть и другие факторы, влияющие на производство силы.
Работа нервной системы
Чтобы мышца начала сокращаться, мозг должен подать сигнал. Электрический импульс выйдет из моторной коры, доберётся до спинного мозга, а оттуда по волокнам моторных нейронов дойдёт до мышцы и заставит её волокна работать.
Чем больше волокон в мышце сократится, тем больше силы человек сможет произвести. Большинство нетренированных людей не могут по своей воле напрячь все 100% волокон. Даже при самом большом усилии работать будут только около 90%.
Силовые тренировки увеличивают способность нервной системы возбуждать больше мышечных волокон. При этом работают только действительно тяжёлые нагрузки — с 80% от максимально возможного веса. Исследование Why strength depends on more than muscle показало, что три недели тренировок с 80% от одноповторного максимума (1ПМ) увеличивают вовлечение мышечных волокон на 2,35%, тогда как занятия с лёгкими весами — 30% от 1ПМ, дают незначительный эффект — всего 0,15%.
Более того, упражнения с тяжёлыми весами в целом увеличивают эффективность работы мышц.
Жёсткость сухожилий
Когда мышца сокращается, энергия передаётся сухожилию — плотной соединительной ткани, за счёт которой мышцы крепятся к костям и двигают суставы. Если сухожилие очень жёсткое, оно не даст мышце стать короче до того, как изменится угол сгиба сустава. В таком случае сокращение мышцы и движение в суставе происходят одновременно.
Если сухожилие не жёсткое, во время сокращения мышца укорачивается быстрее, чем меняется угол сгиба. Сухожилие удлиняется и позволяет мышце стать короче до того, как конечность согнётся в суставе. Это увеличивает скорость сокращения, но снижает силу.
Силовые тренировки увеличивают Human tendon adaptation in response to mechanical loading: a systematic review and meta-analysis of exercise intervention studies on healthy adults жёсткость сухожилий, притом работа с большими весами — до 90% от одноповторного максимума — даёт лучшие результаты.
Способность активировать нужные мышцы
Все мышцы в нашем теле взаимосвязаны. Например, в сгибании плечевого сустава участвует бицепс, а в его разгибании — трицепс. Прямая мышца отвечает за сгибание тазобедренного сустава, а ягодичные — за разгибание. Мышцы с таким противоположным действием называются антагонистами.
Чтобы сила во время движения была максимальной, работающие мышцы (агонисты) должны напрячься, а противоположные по назначению (антагонисты) — расслабиться, иначе они будут мешать. Многократное повторение одних и тех же движений улучшает координацию и способность напрягать и расслаблять нужные мышцы.
Поэтому тренировки на силу довольно однообразны: атлеты совершенствуют навыки в одном движении и исполняют его всё лучше и лучше.
Бодибилдеры, наоборот, часто меняют упражнения, углы сгибания суставов и тренажёры, чтобы мышцы не привыкали, а организм постоянно испытывал стресс, необходимый для их роста.
Кроме того, во время сложных многосуставных движений, помимо агонистов, включаются и другие мышцы — синергисты, которые увеличивают стабильность и помогают производить больше силы. Например, во время приседаний основную работу выполняют мышцы ног, но при этом также подключается пресс. Без его сильных мышц результаты в приседании будут гораздо скромнее.
Поэтому, чтобы быть сильным, нужно прорабатывать все мышцы тела, участвующие в конкретном движении. Например, у бодибилдеров, работающих только на массу, часто довольно развиты грудь, плечи и руки, а вот мышцам кора они уделяют меньше внимания. Атлеты силового спорта, наоборот, имеют развитые мышцы-разгибатели спины, мышцы кора, ягодицы — они увеличивают стабильность тела и помогают развивать больше силы во время движений.
Анатомия мышц: классификация и функции
Огромное количество мышц в анатомии классифицируют по разным критериям, включающим строение, физиологические особенности, форму, размер, расположение и другие показатели. Рассмотрим каждую группу, чтобы понять, как устроена мышечная ткань человека:
- Гладкие мышечные волокна являются структурной единицей стенок внутренних органов, кровеносных капилляров и сосудов. Они сокращаются и расслабляются вне зависимости от импульсов, посланных сознанием человека. Работа гладких мышц отличается последовательностью, размеренностью и непрерывностью.
- Скелетные мышцы — каркас человеческого тела. Они отвечают за физическую активность, поддержание организма в определённом положении и двигательные возможности человека. Деятельность скелетной мускулатуры контролируется мозгом. Миоциты этой группы быстро сокращаются и расслабляются, активно реагируют на тренировки, но при этом склонны к утомлению.
- Сердечная мышца — отдельный вид миоцитов, объединивший часть функциональных особенностей гладких и скелетных волокон. С одной стороны, её активность непрерывна и не зависит от нервных импульсов, посланных сознанием, а с другой, сокращения осуществляются быстро и интенсивно.
Также мышцы подразделяются на топографические группы, исходя из их местоположения. В организме выделяют мышцы нижних конечностей (стопы, бедра и голени), верхних конечностей (кисти, плеча и предплечья), а также головы, шеи, груди, спины и живота. Каждая из этих групп делится на глубокую и поверхностную, наружную и внутреннюю.
В зависимости от количества суставов, охваченных мышцей, они делятся на односуставные, двусуставные и многосуставные. Чем больше сочленений задействовано, тем выше функционал конкретной мышцы.
Кроме того, мышцы классифицируются по форме и строению. К группе простых относятся веретенообразные, длинные, прямые, короткие и широкие волокна. Многоглавые мышцы — сложные. Они представлены бицепсом, состоящим из 2 головок, трицепсом — из 3 головок и квадрицепсом — из 4 головок. Кроме того, сложными считаются многосухожильные и двубрюшные группы миоцитов. Они бывают квадратными, дельтовидными, пирамидальными, зубчатыми, ромбовидными, камбаловидными, круглыми или треугольными.
В зависимости от функциональных особенностей выделяют:
- сгибатели,
- разгибатели,
- пронаторы (вращатели по направлению кнутри),
- супинаторы (вращатели к наружной стороне),
- мышцы, отвечающие за отведение и приведение, поднятие и опускание и т. д.
Основная масса мышц работает парно, выполняя общую или противоположную функцию. Мышца-агонист выполняет определённое действие (например, сгибание), а антагонист — прямо противоположное (то есть разгибание). Столь сложный многоступенчатый комплекс обеспечивает слаженные и плавные движения человеческого тела.
Режимы сокращения. Сила и работа мышц
Различают следующие режимы мышечного сокращения:
1. Изотонические сокращения. Длина мышцы уменьшается, а тонус не изменяется. В двигательных функциях организма не участвуют.
2. Изометрическое сокращения. Длина мышцы не изменяется, но тонус возрастает. Лежат в основе статической работы, например при поддержании позы тела.
3. Ауксотонические сокращения. Изменяются и длина, и тонус мышцы. С помощью их происходит передвижение тела и другие двигательные акты.
Максимальная сила мышц
– это величина максимального напряжения, которое может развить мышца. Она зависит от строения мышцы, ее функционального состояния, исходной длины, а также пола, возраста, степени тренированности человека.
В зависимости от строения, выделяют мышцы с параллельными волокнами (например портняжная), веретенообразные (двуглавая мышца плеча), перистые (икроножная). У этих типов мышц различная площадь поперечного физиологического сечения
– это сумма площадей поперечного сечения всех мышечных волокон, образующих мышцу. Наибольшая площадь поперечного физиологического сечения, а, следовательно, и сила, у перистых мышц. Наименьшая у мышц с параллельным расположением волокон.
При умеренном растяжение мышцы сила ее сокращения возрастает, но при перерастяжении уменьшается. При умеренном нагревании сила также увеличивается, а при охлаждении снижается. Сила мышц снижается при утомлении, нарушениях метаболизма и т.д. Максимальная сила различных мышечных групп определяется динамометрами (кистевым, становым и т.д.).
Для сравнения силы различных мышц определяют их удельную или абсолютную силу
. Она равна максимальной силе, деленной на кв. см. площади поперечного сечения мышцы. Удельная сила икроножной мышцы человека составляет 62 кг/см2, трехглавой – 16,8 кг/см2, жевательных – 10 кг/см2.
Работу мышц делят на динамическую и статическую Динамическая
выполняется при перемещении груза. При динамической работе изменяется длина мышцы и ее напряжение. Следовательно мышца работает в ауксотоническом режиме. При
статической
работе перемещения груза не происходит, т.е. мышца работает в изометрическом режиме.
Динамическая работа равна произведению веса груза на высоту его подъема или величину укорочения мышцы (А=М·h). Работа измеряется в кг·м, джоулях. Зависимость величины работы от нагрузки подчиняется закону средних нагрузок. При увеличении нагрузки работа мышц первоначально растет. При средних нагрузках она становится максимальной. Если увеличение нагрузки продолжается, то работа снижается. Такое же влияние на величину работы оказывает ее ритм. Максимальная работа мышцы осуществляется при среднем ритме. Особое значение в расчете величины рабочей нагрузки имеет определение мощности мышцы — это работа выполняемая в единицу времени (Р=А·Т). Единица измерения – ватт (Вт).
Утомление мышц
Утомление – это временное снижение работоспособности мышц в результате работы. Утомление изолированной мышцы можно вызвать ее ритмическим раздражением. В результате этого сила сокращений прогрессирующе уменьшается. Чем выше частота, сила раздражения и величина нагрузки, тем быстрее развивается утомление. При утомлении значительно изменяется кривая одиночного сокращения. Увеличивается продолжительность латентного периода, периода укорочения и особенно периода расслабления, но снижается амплитуда. Чем сильнее утомление мышцы, тем больше продолжительность этих периодов. В некоторых случаях полного расслабления не наступает. Развивается контрактура
– это состояние длительного, непроизвольного сокращения мышцы.
Работа и утомление мышц исследуются с помощью эргографии. В прошлом веке, на основании опытов с изолированными мышцами, было предложено 3 теории мышечного утомления.
1. Теория Шиффа: утомление является следствием истощения энергетических запасов в мышце.
2. Теория Пфлюгера: утомление обусловлено накоплением в мышце продуктов обмена.
3. Теория Ферворна: утомление объясняется недостатком кислорода в мышце.
Действительно, эти факторы способствуют утомлению в экспериментах на изолированных мышцах. В них нарушается ресинтез АТФ, накапливается молочная и пировиноградная кислоты, недостаточно содержание кислорода. Однако в организме интенсивно работающие мышцы получают необходимый кислород, питательные вещества, освобождаются от метаболитов за счет усиления общего и регионального кровообращения. Поэтому были предложены другие теории утомления. В частности, определенную роль в утомлении принадлежит нервно-мышечным синапсам
. Утомление в синапсе развивается из-за истощения запасов нейромедиатора. Однако главная роль, в утомлении двигательного аппарата принадлежит моторным центрам ЦНС. В прошлом веке И.М. Сеченов установил, что если наступает утомление мышц одной руки, то их работоспособность восстанавливается быстрее при работе другой рукой или ногами. Он считал, что это связано с переключением процессов возбуждения с одних двигательных центров на другие. Отдых с включением других мышечных групп он назвал
активным
.
В настоящее время установлено, что двигательное утомление связано с торможением соответствующих нервных центров, в результате метаболических процессов в нейронах, ухудшением синтеза нейромедиаторов, и угнетением синаптической передачи.
Двигательные единицы
Основным морфо-функциональным элементов нервно-мышечного аппарата скелетных мышц является двигательная единица (ДЕ). Она включает мотонейрон спинного мозга с иннервируемыми его аксоном мышечными волокнами. Внутри мышцы этот аксон образует несколько концевых веточек. Каждая такая веточка образует контакт – нервно-мышечный синапс на отдельном мышечном волокне. Нервные импульсы, идущие от мотонейрона, вызывают сокращения определенной группы мышечных волокон. Двигательные единицы мелких мышц, осуществляющих тонкие движения (мышцы глаза, кисти), содержат небольшое количество мышечных волокон. В крупных их в сотни раз больше.
Все ДЕ в зависимости от функциональных особенностей делятся на 3 группы:
I. Медленные неутомляемые. Они образованы «красными» мышечными волокнами, в которых меньше миофибрилл. Скорость сокращения и сила этих волокон относительно небольшие, но они мало утомляемы. Поэтому их относят к тоническим. Регуляция сокращений таких, волокон осуществляется небольшим количеством мотонейронов, аксоны которых имеют мало концевых веточек. Пример – камбаловидная мышца.
II В. Быстрые, легко утомляемые. Мышечные волокна содержат много миофибрилл и называются «белыми». Быстро сокращаются и развивают большую силу, но быстро утомляются. Поэтому их называют фазными
. Мотонейроны этих ДЕ самые крупные, имеют толстый аксон с многочисленными концевыми веточками. Они генерируют нервные импульсы большой частоты. Напр., мышцы глаза.
II А. Быстрые, устойчивые к утомлению. Занимают промежуточное положение.
Физиология гладких мышц
Гладкие мышцы имеются в стенках большинства органов пищеварения, сосудов, выводных протоков различных желез, мочевыводящей системы. Они являются непроизвольными и обеспечивают перистальтику органов пищеварения и мочевыводящей системы, поддержание тонуса сосудов.
В отличие от скелетных, гладкие мышцы образованы клетками чаще веретенообразной формы и небольших размеров, не имеющими поперечной исчерченности. Последнее связано с тем, что сократительный аппарат не обладает упорядоченным строением. Миофибриллы состоят из тонких нитей актина, которые идут в различных направлениях и прикрепляющихся к разным участкам сарколеммы. Миозиновые протофибриллы расположен рядом с актиновыми. Элементы саркоплазматического ретикулума не образуют систему трубочек. Отдельные мышечные клетки соединяются между собой контактами с низким электрическим сопротивлением – нексусами
, что обеспечивает распространение возбуждения по всей гладкомышечной структуре. Возбудимость и проводимость гладких мышц ниже, чем скелетных.
Мембранный потенциал составляет 40-60 мВ, так как мембрана гладко-мышечных клеток (ГМК) имеет относительно высокую проницаемость для ионов натрия. Причем у многих гладких мышц мембранный потенциал (МП) не постоянен. Он периодически уменьшается и вновь возвращается к исходному уровню. Такие колебания называют медленными волнами
(МВ). Когда вершина медленной волны достигает критического уровня деполяризации, на ней начинают генерироваться потенциалы действия (ПД), сопровождающиеся сокращениями. МВ и ПД проводятся по гладким мышцам со скоростью всего 5-50 см/сек. Такие гладкие мышцы называют
спонтанно активными
, т.к. они обладают автоматией. Например за счет такой активности происходит перистальтика кишечника. Водители ритма кишечной перистальтики расположены в начальных отделах соответствующих кишок.
Генерация ПД в ГМК обусловлена входом в них ионов кальция. Механизмы электромеханического сопряжения также отличаются. Сокращение развивается за счет кальция, входящего в клетку во время ПД. Опосредует связь кальция с укорочением миофибрилл важнейший клеточный белок – кальмодулин
.
Кривая сокращения также отличается. Латентный период, период укорочения, а особенно расслабления значительно продолжительнее, чем у скелетных мышц. Сокращение длится несколько секунд. Гладким мышцам, в отличие от скелетных свойственно явление пластического тонуса
– это способность длительное время находится в состоянии сокращения без значительных энергозатрат и утомления. Благодаря этому свойству поддерживается форма внутренних органов и тонус сосудов. Кроме того, гладкомышечные клетки сами являются рецепторами растяжения. При их натяжении начинают генерироваться ПД, что приводит к сокращению ГМК. Это явление называется
миогенным механизмом регуляции сократительной активности
.
Физиология мышц человека
К основным свойствам мышечной ткани, обеспечивающим полноценную функциональность структур, относятся:
- Сократимость — способность к сокращению.
- Возбудимость — реакция на нервный импульс.
- Эластичность — изменение длины и диаметра волокон в зависимости от внешнего и внутреннего воздействия.
Сокращение мышц регулируется посредством деятельности нервной системы. Каждая мышца содержит множество нервных окончаний, которые можно условно разделить на 2 разновидности — рецепторы и аффекторы. Чувствительные рецепторы воспринимают скорость и степень растяжения и сокращения, силу воздействия и движения миоцитов. Они могут располагаться свободно, разветвляясь в толще мышцы, или несвободно, переплетаясь в веретенообразный комплекс. Информация о состоянии и положении мышечного волокна из рецепторов поступает в ЦНС, откуда передаётся обратно эффекторам, вызывая их возбуждение и, как следствие, реакцию на полученный импульс.
Сокращение миоцитов осуществляется за счёт проникновения нитей актина между цепочками миозина. При этом общая длина актиновых и миозиновых волокон не изменяется — сокращение наступает из-за изменения длины актиномиозинового комплекса. Такой механизм называется скользящим и сопровождается расходом энергетического запаса организма.
Также в мышцах содержатся нервные волокна, регулирующие процесс обмена веществ и состояние миоцитов в покое. Благодаря этому осуществляется регулировка работы мышечной ткани, предупреждается переутомление и нефизиологичное перерастяжение или сокращение. Такой механизм позволяет адаптировать работу мышц к окружающей среде и обеспечивать полноценную функциональность организма.
Заключение
Анатомия мышц, их количество и соотношение является физиологической неизменной, зависящей от наследственности и особенностей организма. Тем не менее, грамотно приложенная физическая нагрузка, регулярные тренировки и здоровый образ жизни могут привести к развитию мышечных волокон, более высокой выносливости, силе и устойчивости. Не стоит полагать, что от этого зависит лишь состояние скелетной мускулатуры и рельеф тела, — правильно составленный комплекс занятий улучшает работу ещё и гладких и сердечных миоцитов. Благодаря этому можно запустить круговорот «обратной связи»: развитая с помощью регулярных тренировок сердечная мышца лучше перекачивает кровь по организму, поэтому все органы, включая и скелетные мышцы, получают больше питания и кислорода, необходимого для преодоления нагрузок. А физически развитые скелетные и гладкие мышцы, в свою очередь, лучше удерживают внутренние органы, обеспечивая их полноценную работу.
Зная основы анатомии мышц человека, вы сможете грамотно построить тренировочный процесс, привнести в свою жизнь основы физической активности и вместе с тем улучшить состояние организма в целом.
