Каким образом сокращение скелетной мышцы приводит к движению?

Рис. 25. Мышцы и кости действуют как система рычагов.

А - Мышцы-антагонисты, осуществляющие сгибание и разгибание предплечья.

Опорно-двигательный аппарат действует как система рычагов.

Сокращающаяся мышца передает усилие костям через сухожилия. Если усилие достаточно, то при укорочении мышцы кости перемещаются. При сокращении мышца развивает только тянущее усилие, так что кости, к которым она прикреплена, по мере ее укорочения подтягиваются друг к другу. При этом может происходить сгибание конечности в суставе (флексия) или разгибание (экстензия) - выпрямление конечности (рис. 25 А). В этих противоположно направленных движениях должны участвовать, по крайней мере, две разные мышцы - сгибатель и разгибатель. Мышечные группы, осуществляющие движения сустава в противоположных направлениях, называют антагонистами. Как показано на рис. 25 А, при сокращении двуглавой мышцы плеча (m. biceps) рука сгибается в локтевом суставе, тогда как сокращение мышцы-антагониста - трехглавой мышцы плеча (m. triceps) заставляет руку разгибаться. Обе мышцы создают при сокращении только тянущее усилие по отношению к предплечью.

Рис. 25. Мышцы и кости действуют как система рычагов.

Б - Сокращение икроножной мышцы приводит к сгибанию нижней конечности, когда четырехглавая мышца бедра расслаблена, или к разгибанию, когда последняя сокращается, не позволяя коленному суставу сгибаться.

Группы мышц-антагонистов необходимы не только для сгибания и разгибания, но и для движения конечностей в стороны или для вращения. Некоторые мышцы при сокращении могут создавать два типа движения в зависимости от сократительной активности других мышц, действующих на ту же конечность. Например, при сокращении икроножной мышцы (m. gastrocnemius) нога сгибается в колене, например, во время ходьбы (рис. 25Б). Однако, если икроножная мышца сокращается одновременно с четырехглавой мышцей бедра (m. quadriceps femoris), которая выпрямляет ногу в голени, коленный сустав не может согнуться, так что движение возможно только в голеностопном суставе. Происходит разгибание стопы, т.е. человек приподнимается на кончиках пальцев ног - «встает на цыпочки».

Рис. 25. Мышцы и кости действуют как система рычагов.

В - Механическое равновесие сил, действующих на предплечье, когда рука держит груз 10 кг.

Мышцы, кости и суставы тела представляют собой системы рычагов. Принцип действия рычага можно проиллюстрировать на примере сгибания предплечья (рис. 25 В): двуглавая мышца оказывает тянущее усилие, направленное вверх, на участок предплечья примерно на расстоянии 5 см от локтевого сустава. В рассматриваемом примере кисть руки удерживает нагрузку 10 кг, т.е. на расстоянии примерно 35 см от локтя действует направленная вниз сила величиной 10 кг. Согласно законам физики, предплечье находится в состоянии механического равновесия (т.е. суммарная сила, действующая на систему, равна нулю), когда произведение направленной вниз силы (10 кг) на расстояние от места ее приложения до локтя (35 см) равно произведению изометрического напряжения мышцы (Х) на расстояние от нее до локтя (5 см). Итак, 10х35=5хХ; отсюда Х=70 кг. Отметим, что работа этой системы механически невыгодна, поскольку сила, развиваемая мышцей, гораздо больше, чем масса удерживаемой нагрузки (10 кг).

 

Рис. 25. Мышцы и кости действуют как система рычагов.

Г - Рычажная система руки действует как усилитель по отношению к скорости сокращения двуглавой мышцы плеча, увеличивая скорость перемещения кисти. Система является также усилителем диапазона перемещений кисти (при укорочении мышцы на 1 см кисть перемещается на 7 см)

Однако механически невыгодные условия работы большинства механизмов мышечных рычагов компенсируются за счет повышения маневренности. На рисунке 25 показано, что укорочению двуглавой мышцы на 1 см соответствует перемещение кисти на расстояние 7 см. Поскольку укорочение мышцы на 1 см и перемещение кисти на 7 см совершаются за одно и то же время, скорость движения кисти в семь раз больше, чем скорость укорочения мышцы. Система рычагов играет роль усилителя, благодаря которому небольшие относительно медленные движения двуглавой мышцы преобразуются в более быстрые движения кисти. Так мяч, брошенный подающим игроком баскетбольной команды, летит со скоростью примерно 150-160 км/ч, хотя мышцы игрока укорачиваются во много раз медленнее.

А прыжок фигуриста с вращением в 2 или 4 оборота? Как координируется работа мышц при броске баскетбольного мяча в корзину?

Каким образом сокращение скелетной мышцы приводит к движению?

Регуляция двигательных функций обеспечивается за счет интеграции многих частей центральной и периферической нервной системы. Каждая из них играет важную роль в обеспечении как повседневных двигательных реакций, так и высокопрофессиональных спортивных навыков.

Основные компоненты двигательной функции:

Двигательная зона коры (формирует приблизительный план действий).

Подкорковые зоны (управляют сознательными движениями).

Мозжечок и базальные ядра (обеспечивают временную и пространственную точность выполнения движений).

Таламус (передающий центр).

Нейроны спинного мозга (проводящая система).

Двигательные концевые пластинки скелетной мышцы (рецепция и преобразование сигнала).

Мышечные рецепторы (рецепция и передача сигнала).

Проприорецепторы (коррекция ошибок).

 

При правильном функционировании всех перечисленных систем двигательная зона коры принимает импульсы из подкорковых участков и вместе с мозжечком инициирует и модифицирует (с помощью проприорецепции и зрительной информации) эфферентный сигнал определенной частоты и интенсивности. Когда этот сигнал достигает определенной скелетной мышцы, происходит движение. В дополнение к этому центральная нервная система контролирует нейроэндокринные реакции, поставляющие субстраты для энергетического метаболизма

Поэтому необходимо рассмотреть состояние этой проблемы к данному моменту.