Строение кости человека: Строение и состав кости — урок. Биология, Человек (8 класс).

Строение и состав кости — урок. Биология, Человек (8 класс).

Кость — основная структурная единица скелета.

Строение и состав костной ткани

В образовании кости основная роль принадлежит соединительной костной ткани.

 

Костная ткань включает:

• клетки — остеоциты;
• межклеточное вещество.

Межклеточное вещество очень плотное, что придаёт костной ткани механическую прочность.

 

Остеоциты окружены мельчайшими «канальцами» с межклеточной жидкостью, через которую происходит питание и дыхание костных клеток. В костных каналах проходят нервы и кровеносные сосуды.
 

Рис. \(1\). Строение костной ткани

 

Твёрдость костям придаёт наличие в их составе неорганических веществ: минеральных солей фосфора, кальция, магния.

 

Гибкость и упругость придают органические вещества.

 

Прочность кости обеспечивается сочетанием твёрдости и упругости. Большей гибкостью обладают кости растущего организма, большей прочностью —  кости взрослого (но не старого) человека.

 

Состав кости и свойства веществ, которые её образуют, можно экспериментально доказать.

 

Свойства органических веществ можно определить сжиганием. При длительном прокаливании кости органические соединения сгорают. Кость становится хрупкой, рассыпается при прикосновении на множество мелких частиц. Остатки состоят из неорганических соединений. Значит, в отсутствие органических веществ кость теряет гибкость и упругость.

 

Свойства минеральных веществ можно установить погружением в раствор соляной кислоты на несколько дней. Неорганические соли растворяются в соляной кислоте и вымываются из кости. Кость становится гибкой, её можно завязать в узел. Значит, при отсутствии неорганических солей кость теряет твёрдость.

 

Рис. \(2\). Декальцинированная кость 

Виды костей и их строение

Каждая кость — это сложный орган, который имеет своё строение, местоположение и значение.

  

По форме кости разделяют на:

• трубчатые;
• губчатые;
• плоские;
• смешанные.

Рассмотрим строение трубчатых костей на примере бедренной кости.

 

Рис. \(3\). Строение трубчатой кости

Во внешнем строении длинной трубчатой кости можно выделить тело кости (диафиз) и две концевые суставные головки (эпифизы).

Эпифизы трубчатой кости покрыты хрящом. Между телом и головками расположен эпифизарный хрящ, обеспечивающий рост кости в длину.

 

Внутри кости находится полость (канал) с жёлтым костным мозгом (жировой тканью), что и дало название таким костям — трубчатые. Эпифизы бедренной кости представлены губчатым веществом.

 

Тело кости (диафиз) внутри образовано губчатым веществом, снаружи — толстой пластинкой компактного вещества и покрыто оболочкой — надкостницей.

 

В надкостнице расположены кровеносные сосуды и нервные окончания, благодаря чему она обеспечивает рост кости в толщину, питание, срастание костей после переломов.   На суставных головках (эпифизах) надкостница отсутствует.

Источники:

Рис. 1. Строение костной ткани: https://image.shutterstock.com/image-vector/threedimensional-diagram-bone-structure-600w-1112885651.jpg

Рис. 2. Декальцинированная кость: © ЯКласс

Рис. 3. Строение трубчатой кости: © ЯКласс

 

Поддержание здоровья костей является жизненно важным шагом в здоровье всего организма

Кости играют много ролей в организме, строя скелет тела, защищая внутренние органы, помогая мышцам тела и накапливая кальций. Формирование здоровых и крепких костей очень важно в детском и подростковом возрасте, но в зрелом возрасте могут быть предприняты важные шаги для здоровья костей.

Почему важно здоровье костей?

Рост костей происходит в три основных этапа по мере старения: (1) рост, (2) моделирование или стабилизация и (3) Реконструкция. Первая и вторая стадии происходят быстрее в детском и подростковом возрасте, и костная масса быстро увеличивается в этом возрасте. В зрелом возрасте преобладает регенеративная фаза, которая сопровождается резорбцией, анализом и замещением костной ткани.

Величина плотности костной массы также зависит от различных факторов, включая генетику и различные факторы окружающей среды. Пик формирования костной массы приходится примерно на 30 лет, после чего продолжается только костная регенерация. Но количество заменяемой кости меньше, чем раньше, поэтому риск развития остеопороза выше. По этой причине, чем больше накопление костной массы в молодом возрасте, тем ниже риск развития остеопороза. Но лучше вникнуть в эти вопросы поглубже.

Познакомьтесь с костью

Строение и физиология костей

На первый взгляд наш скелет может показаться нединамичной частью, но та же структура состоит из тканей и клеток, которые постоянно работают. 65% костной ткани состоит из неорганических минералов, которые вызывают жесткость костей. Наиболее важными минералами в костной ткани являются кальций и фосфор. Кроме того, в костной структуре также присутствуют ионы магния, натрия, калия и цитрата.

 

Остальные 35% костной ткани — это органический белковый матрикс, 90% которого-коллагеновый матрикс первого типа. Эти коллагеновые волокна оборачиваются друг вокруг друга, образуя внутренний каркас, на котором откладываются костные минералы. Остальные десять процентов этой матрицы содержат различные белки, которые не являются коллагеном.

Типы костной ткани

Кость имеет два типа тканей. Кортикальная мембрана и трабекулярная часть (губчатая).

Восемьдесят процентов кортикального костного скелета образуют внешнюю поверхность всех костей. Кортикальная кость кажется плотной и твердой, но на самом деле имеет микроскопические поры, через которые проходят артерии и нервы.

Еще 20% кости-это трабекулярная ткань, которая находится на концах длинных костей и внутри гладких костей (череп, таз, Грудина, ребра и лопатка) и позвоночных позвонков. Эти два типа тканей различны с точки зрения пористости и микроструктуры. Например, трабекулярные кости имеют меньшую плотность и большую площадь поверхности.

Этапы формирования и реконструкции кости

Рост костей имеет три различные стадии. Рост, моделирование (консолидация) и реконструкция

Во время фазы роста размер костей увеличивается. Этот рост очень быстрый, особенно от рождения до двух лет. Она продолжается медленнее в детском и подростковом возрасте и обычно прекращается в начале двадцатых. Конечно, это прекращение включает только продольный рост, но он будет продолжать изменять форму и толщину в более старшем возрасте. Моделирование в этот период времени происходит одновременно с ростом. На самом деле это возраст, когда костная масса формируется и завершается.

Регенеративная стадия включает в себя устойчивый процесс резорбции костной ткани, который формируется в зрелом возрасте и продолжается в течение всей жизни. Обычно это начинается примерно в возрасте 34 лет. На этой стадии скорость резорбции кости выше, чем костеобразования, что приводит к потере костной массы с возрастом.

Минералы, необходимые для костей

Некоторые минералы играют непосредственную роль в образовании и структуре кристаллов гидроксиапатита.

Другие питательные вещества играют косвенную роль в качестве кофакторов или регуляторов активности костных клеток.

Кальций

Около 99% кальция в организме содержится в костях и зубах, а еще 1% — в крови и мягких тканях. Концентрация кальция в крови должна поддерживаться в определенном количестве, чтобы физиологические функции органов организма были нормальными. Например, на сокращение мышц, сокращение и расширение кровеносных сосудов влияет количество кальция. Если потребление кальция с пищей недостаточно, кровь использует кальций в костях для поддержания необходимого уровня кальция.

Соответствующее количество кальция для мужчин в возрасте от 19 до 70 лет составляет 1000 мг в день и старше 70 лет-1200 мг в день, а для женщин в возрасте от 10 до 50 лет-1000 мг в день и старше 50 лет-1200 мг в день.

Фосфор

Более половины минеральной массы кости состоит из фосфора, который в сочетании с кальцием образует кристаллы гидроксиапатита. Кроме того, фосфор играет важную роль в костном матриксе и жесткости костей. Из-за его выдающихся функций в костной ткани дефицит фосфора может привести к дефектам костной ткани. Однако у здоровых людей дефицит фосфора встречается редко, и существует мало доказательств того, что дефицит фосфора влияет на частоту остеопороза. Рекомендуемое количество фосфора у мужчин и женщин старше 19 лет составляет 700 мг в сутки.

Другие микроэлементы

Есть и другие микроэлементы, которые необходимы для здоровья костей. Включая фтор, который требует четыре миллиграмма в день для мужчин и три миллиграмма в день для женщин.

Для здоровья костей количество магния, необходимое мужчинам в возрасте от 19 до 30 лет, составляет 400 мг в день, а старше 31 года-420 мг в день, а женщинам в возрасте от 19 до 30 лет-310 мг в день, а старше 31 года-320 мг в день. Это тот самый день.

Необходимое количество натрия для женщин и мужчин составляет 1500 мг в день, а количество калия для мужчин-3400 мг, а для женщин-2600 мг в день.

Витамин D составляет 15 микрограммов в день для людей в возрасте от 19 до 70 лет и 20 микрограммов в день для тех, кому за 70. Кроме того, мужчинам нужно 120 микрограммов в день, а женщинам-90 микрограммов витамина К для здоровья костей. Витамин А для мужчин и 900 мкг для женщин и 700 мкг витамина С для мужчин составляет 90 мг в день, а для женщин-70 мг в день.

Проблемы из-за недостатка минералов и микроэлементов на костях

Недостаток минералов и неспособность организма усваивать эти питательные вещества вызывают дегенерацию костной ткани и некоторые заболевания костей.

Остеомаляция

Остеомаляция, также называемая взрослым рахитом; неспособность организма усваивать минералы обусловлена тягой. Остеомаляция вызвана недостатком витамина D и неспособностью всасывать кальций и фосфор в тонком кишечнике. Этот недостаток приводит к неполному формированию костного матрикса, в результате чего кости становятся мягкими и неспособными поддерживать вес тела. В этих условиях кости будут деформироваться из-за веса тела.

Остеопения

Верхушка остеопороза, но на ранних стадиях. На самом деле, по определению Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ), остеопения-это стадия до остеопороза, которая возникает, когда МПКТ человека находится между минус 1 и минус 2,5.

Остеопороз

Остеопороз-это тяжелая стадия резорбции костей, при которой кости чрезвычайно хрупки. Остеопороз диагностируется по МПКТ, когда балл меньше 2,5. чем ниже это число, тем больше остеопороз и тем в два раза выше риск переломов костей.

 

Какие факторы влияют на здоровье костей?

От 60 до 80 процентов плотности костной ткани определяется генетикой, в то время как от 20 до 40 процентов зависит от образа жизни, такого как питание и физическая активность. Короче говоря, факторы, влияющие на здоровье костей, таковы:

Расовая и семейная история: белые и люди азиатского происхождения более склонны к остеопорозу, чем другие расы. Кроме того, наличие членов семьи с остеопорозом в анамнезе увеличивает риск развития остеопороза у некоторых членов семьи.

Диетический кальций: диета с низким содержанием кальция снижает плотность костной ткани, преждевременную потерю костной массы и увеличивает риск переломов.

Физическая активность: люди, которые физически неактивны, подвержены более высокому риску развития остеопороза, чем те, кто более активен.

Курение и алкоголь: исследования показывают, что употребление табака и алкоголя ослабляет кости.

Пол: Женщины более склонны к остеопорозу, чем мужчины, потому что их костная ткань менее плотная.

Размер тела: люди, которые очень худые (с индексом массы тела 19 или менее) или люди с небольшим телосложением, более подвержены риску остеопороза, потому что их костная масса уменьшается с возрастом.

Возраст: естественно, с возрастом кости становятся тоньше и слабее.

Уровень гормонов: избыток гормона щитовидной железы вызывает потерю костной массы. У женщин частота остеопороза резко возрастает во время менструации из-за снижения уровня эстрогена. Менструация с длительными интервалами перед менопаузой имеет тот же эффект. У мужчин низкий уровень тестостерона может привести к потере костной массы.

Лекарства: кортикостероиды, такие как преднизон, кортизон, преднизолон и Дексаметазон, могут повредить кости при длительном применении. Другие препараты, которые могут увеличить риск остеопороза, включают ингибиторы ароматазы для лечения рака молочной железы, селективные ингибиторы обратного захвата серотонина, метотрексат, некоторые противосудорожные препараты, такие как фенитоин (дилантин) и фенобарбитал.

Расстройства пищевого поведения: люди с анорексией или перееданием подвержены риску развития остеопороза. Кроме того, гастрэктомия, операция по снижению веса и такие состояния, как болезнь Крона, целиакия и болезнь Кушинга, могут повлиять на способность организма усваивать кальций.

Каковы некоторые способы защитить ваши кости?

Защита костей может быть сделана очень простыми способами.

Включение кальция в рацион питания

Рекомендуемое количество кальция для людей в возрасте от 19 до 50 лет и мужчин от 51 до 70 лет составляет 1000 мг в день. Это количество составляет 1200 мг в день для женщин после 50 лет и для мужчин после 70 лет. Такое количество кальция можно получить из молочных продуктов, миндаля, брокколи, капусты, консервированного лосося, сардин и соевых продуктов, таких как тофу. В противном случае вы можете принимать кальциевые добавки в соответствии с рекомендациями вашего врача.

Не забывайте о витамине D.

Организм нуждается в витамине D, чтобы усваивать кальций. Для людей в возрасте от 19 до 70 лет суточное потребление витамина D составляет 600 единиц (МЕ) в день, а для пожилых людей старше 71 года оно достигает 800 единиц в день.

Хорошие источники витамина D включают жирную рыбу, такую как лосось, лосось, сиг и тунец. Кроме того, грибы, яйца и витаминизированные продукты, такие как молоко и злаки, являются хорошими источниками витамина D. Солнечный свет также помогает организму вырабатывать витамин D. Если вы беспокоитесь о том, чтобы получить достаточное количество витамина D, вы можете принимать добавки.

Упражнения к ежедневному расписанию включают в себя

Упражнение, которое удерживает вес тела на костях, помогает укрепить кости. Ходьба, бег трусцой, подъем по лестнице, силовые тренировки с отягощениями, упражнения на равновесие и Тай-Чи делают кости сильнее и медленнее в их анализе и пустоте.

Живите здоровой жизнью

Употребление психоактивных веществ, курение и употребление алкоголя пагубно влияют на кости. Устраните их или сведите к минимуму их потребление.

Здоровье костей улучшает качество жизни

Кости тела, Помимо укрепления тела, позволяют нам двигаться. Они защищают внутренние органы тела, такие как мозг, сердце и другие органы тела. Они являются центрами хранения минералов, таких как кальций и фосфор, которые, помимо укрепления костей, высвобождаются в кровоток при необходимости и используются другими частями тела.

Есть многое, что можно сделать, чтобы сохранить ваши кости здоровыми и сильными. Употребление продуктов, богатых кальцием и витамином D, много физических упражнений и наличие хороших привычек здоровья помогают сохранить кости здоровыми.

Без правильного питания плохая физическая нагрузка ослабляет кости и приводит к остеопорозу, который в тяжелых стадиях вызывает переломы костей , иногда для улучшения состояния требуется хирургическое вмешательство и использование соответствующих средств защиты костей. По этой причине здоровье костей должно быть приоритетом.

Что вы делаете для здоровья своих костей? Прокомментируйте для нас.

Строение, свойства костей и типы их соединений

Строение кости

Кость — составная часть скелета, опора организма, его твердый орган. Она имеет довольно сложное строение с преобладанием костной ткани. Верхний слой кости составляет так называемое компактное вещество (или же компактная костная ткань), ниже лежит губчатое вещество (или же губчатая костная ткань). В разных типах костей степень развития этих двух веществ отличается. Снаружи кость обволакивается тонкой прочной пленкой надкостницей. Она пронизана нервными окончаниями и сосудами. Именно благодаря ей идет кровоснабжение компактного вещества, а детские кости растут вширь. Лишены надкостницы только суставные поверхности костных концевых утолщений.

Компактное вещество

Крепкое, плотное и надежное, его основная задача — обеспечить прочность кости, препятствовать ее деформации. В общей массе скелета этот подвид ткани занимает до 80 процентов. Состоит компактное вещество из множества цилиндров, называемых остеонами, сложенных из костных пластинок, которых бывает от 5 до 20. В состав пластинок входит белок коллаген, гарантирующий плотность и эластичность кости. Диаметр каждого цилиндра-остеона очень мал, не больше 0,4 миллиметра, внутри него идет Гаверсов канал с кровеносными сосудами. По всему костному веществу разбросаны костные клетки, выделяющие костный материал пластинок (межклеточное вещество). Тела костных клеток, имеющие многочисленные отростки, находятся между соседними костными пластинками.

Губчатое вещество

Наполняющая внутреннее пространство кости губчатая ткань намного более рыхлая и легкая, чем наружная компактная ткань. Благодаря этому масса кости уменьшается. Особенно развито губчатое вещество в эпифизах — на концах трубчатых костей. Строение его имеет решетчатый, ячеистый вид. В промежутках между перегородками-трабекулами находится красный костный мозг.

Каковы особенности костной ткани?

Костная ткань — один из типов соединительной. Две трети ее составляет межклеточное вещество, в котором хранится почти весь запас кальция, фосфора, половина запаса магния и натрия! Костная ткань не жадничает, она отдает эти вещества в кровь, поддерживая гомеостаз. Новая ткань образуется у человека всю жизнь, примерно за три десятка лет она полностью обновляется. Наиболее бурный рост костной ткани идет в молодом возрасте, а с течением лет темп снижается, костная ткань обедняется, теряет запас полезных веществ и массу. Хорошее развитие скелетных мышц усиливает прочность костей.          

Как идет рост костей?

Изначально закладываются хрящи, которые в процессе развития организма замещаются костной тканью. В ширину кости, как уже сказано выше, растут благодаря надкостнице (а именно ее внутреннему остеогенному слою), а в длину — благодаря хрящевым прослойкам около головок (эпифизов) длинных костей — пластинкам роста.

Вещества кости

Органические вещества (главное место здесь занимает белок коллаген) придают кости эластичность и упругость. Неорганические (фосфаты кальция — гидроксилапатиты, магния, и др.) делают ее твердой, но зато хрупкой и ломкой.

Проводя опыты, выдерживая кость в 10-процентном растворе соляной кислоты, мы выводим из нее неорганические вещества, — в результате кость становится мягкой и гибкой. Сжигая кость, мы уничтожает органику, остаются лишь неорганические вещества — в результате кость легко ломается.

У ребенка и молодого человека в костях высокое содержание органических веществ, с возрастом оно уменьшается — именно поэтому пожилые люди так легко ломают кости и так тяжело восстанавливаются. Кости детей эластичны, при их некритических искривлениях ситуацию еще можно исправить: например, выпрямить сколиозный позвоночник. В ЕГЭ по биологии могут быть вопросы о том, почему в детском возрасте легче вылечить сколиоз.

Типы костей

1.       Трубчатые. Очень прочны, являются надежной основой скелета конечностей. Длинные трубчатые кости: бедренная, берцовые, плечевая, локтевая с лучевой. Короткие: кости плюсны, пясти, фаланг пальцев и др. Средняя часть кости этого типа — диафиз — построена из компактного вещества и выглядит как трубка с костно-мозговой полостью, заполненной желтым костным мозгом (хранящим запас жиров). Эпифизы (головки) — концевые части трубчатых костей, в них преобладает губчатое вещество с красным костным мозгом.

2.      Плоские. Представляют собой две параллельные пластинки компактного вещества, между которыми спрятано губчатое вещество. Кости этого типа — лопатка, грудина, ключица, ребра, тазовая кость, кости крыши черепа — служат для формирования стенок полостей, которые окружают различные органы, и поясов конечностей.

3.       Губчатые. Имеют лишь тонкий слой наружного плотного компактного вещества, внутри же — основное губчатое вещество. Кости этого типа находятся там, где большая нагрузка сочетается с высокой подвижностью: кости запястья, мелкие кости стопы, коленная чашечка (надколенник), пяточная кость.

4.      Кроме того, выделяют смешанные кости — они состоят из частей, имеющих различия в происхождении и строении. К таким костям относятся, например, позвонки, кости основания черепа.

Типы соединения костей

1.      Непрерывные соединения обеспечены соединительной тканью (хрящевой, фиброзной, костной), которая, словно мостик, связывает два костных окончания. Они бывают, в свою очередь, совершенно неподвижными и полуподвижными.

1)      Неподвижные — это, например, кости черепа с костными швами, или сросшиеся позвонки копчика.

2)      Полуподвижные — имеющие хрящевые прокладки как, например, между позвонками. Такое соединение еще называют симфиз (полусустав): например, лобковый симфиз.

2.      Прерывные соединения всегда только подвижные. Вот суставы — это подвижные сочленения: в суставную впадину входит суставная головка. Соединяемые поверхности покрыты суставным хрящом, между костями — внутрисуставные связки. К тому же поверхности костей окружены суставной сумкой (капсулой), в ней находится суставная жидкость, выполняющая роль смазки.

Первая помощь при травмах связок, костей и суставов

Растяжение связок. Место повреждения нужно охладить, приложив к нему медицинский гель, любой замороженный предмет, или погрузив в холодную воду. После этого необходимо туго перебинтовать сустав и не нагружать его.

Переломы костей. При открытом переломе край раны обработать антисептиком и наложить стерильную повязку. Для обездвиживание применяется шина, которая должна заходить за суставы выше и ниже участка кости. При повреждении ключицы нужно подвесить руку на косынку, положив валик в подмышечную впадину. При повреждении ребер — после выдоха туго забинтовать грудную клетку.

Вывихи суставов. При вывихе идет смещение концов костей. Нельзя их вправлять самостоятельно. Необходимо охладить сустав, обеспечить человеку полный покой и доставить его в медучреждение.

Заболевания опорно-двигательного аппарата

1.      Рахит — возникает при недостатке витамина «Д» и недостаточном питании, лишенном витаминов, у детей первых лет жизни, может привести к деформации костей.

2.      Искривление позвоночника возникает по причине различных заболеваний (рахит, полиомиелит, туберкулез), травм, нарушения осанки при пребывании в одной позе. При искривлении нарушается равномерное натяжение мышц, что еще более усугубляет проблему.

3.      Плоскостопие — уплощение свода стопы. Причины его: слабые связки стопы, ожирение, ношение тесной и узкой обуви на каблуке, длительные нагрузки, травмы, следствие рахита. Лечение заключается в упражнениях, массаже, ношении качественной ортопедической обуви и стелек.

Хочешь сдать экзамен на отлично? Жми сюда — курсы ЕГЭ в Москве по биологии

Анатомия костей человека и их соединений.

Способность к передвижению является очень важной функцией человеческого тела. Благодаря эволюционному процессу, первоначальные простейшие формы движения за счёт двигательных белков в составе ресничек и жгутиков у микроорганизмов были развиты до сложных механизмов, которые мы можем наблюдать у высших животных. Двигательный аппарат, или костно-мышечная система, представлен пассивным компонентом, костями, и активным — мышцами.

Система скелета формирует каркас, удерживаемый в физиологическом положении за счёт связок и мышц. К этому каркасу прикрепляются также и внутренние органы. У здорового человека кости располагаются симметрично относительно центральной плоскости тела.

Скелет состоит из более чем 200 костей, только 170 из которых парные, что составляет около 15 % от массы тела.

Выделяют два отдела скелета:

• Осевой: позвоночный столб, череп, грудная клетка.
• Добавочный: кости верхних и нижних конечностей.

За счёт сокращения мышц, происходит движение костей друг относительно друга, благодаря этому тело способно производить весь спектр движений, будь то бег или каллиграфия.

Важным будет отметить защитную функцию скелета. Кости черепа образуют полость, в которой головной мозг прекрасно защищён, а спинно-мозговой канал, сформированный позвонками и их отростками, защищает спинной мозг, сохраняя при этом подвижность позвоночника в целом. Грудная клетка предохраняет от повреждений лёгкие и органы средостения, а полость таза — мочеполовые органы.

Скелетная ткань накапливает в себе жизненно важные минералы и некоторые витамины. Таким образом, она выполняет функцию депо некоторых элементов, которые поступят в кровоток в случае необходимости.

Функционирование кости как органа регулируется рядом желез: гонадами (половыми железами), надпочечниками, щитовидной железой и гипофизом.

Хрящевая ткань является промежуточным звеном между соединительной тканью и костной. По сути, мы можем наблюдать постепенное развитие соединительной ткани в хрящ, где требуется функция хряща и дальнейшее постепенное окостенение хряща, где прочности хряща становится недостаточно. Уши и носовые ходы так никогда и не окостеневают.

Во внутриутробном развитии хрящевая ткань составляет около половины от всего скелета и постепенно замещается костной, достигая 2 % к зрелости. Это межпозвоночные диски, хрящи ребер, суставные хрящи, хрящи носа и уха, гортани, трахеи, бронхов. Суставные хрящи и межпозвоночные диски выполняют амортизационную функцию, также хрящевая ткань покрывает соприкасающиеся костные поверхности, что повышает их износоустойчивость.

Поверхность кости покрыта особой тканью, надкостницей, которая состоит из соединительной ткани и плотно сращена с подлежащей костной тканью. Именно за счёт надкостницы происходит рост кости в толщину, её регенерация в случае повреждений, питание кости за счёт широкой сети кровеносных сосудов, а также очищение через лимфатические сосуды. Именно в надкостнице заканчиваются чувствительные нервные окончания, в толще кости нервов нет. Костная ткань в связи со своей функцией имеет очень высокие показатели прочности, так, например, сопротивление на разрыв такое же, как у меди, и в 9 раз больше, чем у свинца. Предельная нагрузка на сжатие близка к показателю чугуна.

Трубчатые кости, соответствуя своему названию, представляют собой продолговатое тело или диафиз и два утолщения на концах, эпифизы. Между эпифизом и диафизами расположены метафизы — зоны роста кости в длину. Метафизы постепенно заканчивают свою деятельность и постепенно окостеневают к возрасту полового созревания, когда рост тела в высоту останавливается. Этот период соответствует примерно 18 годам у девушек и 25 годам у парней. В современном мире существует понятие костного возраста, или истинного возраста, тела, в противовес календарному возрасту. Он определяется на основании стадии окостенения метафизов.

Губчатые кости располагаются в местах с большой осевой нагрузкой, например в телах позвонков. Тело из губчатой ткани покрыто компактной костной тканью снаружи.

Плоские кости выполняют в основном защитную функцию, так, например, лопатка прикрывает заднюю поверхность ребер и подлежащих органов, а тазовые кости служат надёжной защитой для тазовых органов. Как лопатка, так и таз, участвуют в образовании поясов конечностей и их суставов. Мозговой отдел черепа состоит также из плоских костей, которые надёжно защищают головной мозг. Лобные кости настолько прочные, что известны случаи рикошета пули при прямом попадании.

Существует также ряд смешанных костей, которые являются комбинацией различных видов костной ткани, например позвонки.

В костномозговых каналах, которые присутствуют в большинстве трубчатых и плоских, а также в трубчатых костях, находится главный орган кроветворения — костный мозг. В красном костном мозге происходит постепенное созревание клеток крови из предшественников, так называемых стволовых клеток. Жёлтый костный мозг есть постепенное обратное развитие красного костного мозга до жировой ткани с редкими островками, ещё выполняющими функцию.

Костно-мышечная система, благодаря системе различных межкостных соединений, а также благодаря мышцам, которые, сокращаясь, изменяют положение костей друг относительно друга, выполняет опорную и двигательную функции. В зависимости от выполняемой функции, разнится и характер соединения.

Выделяют следующие типы соединений:

• непрерывные,
• полусуставы, или симфизы,
• прерывные, или суставы.

Непрерывные представляют собой плотные, почти неподвижные соединения, такие, как например, швы черепа. В зависимости от материала шва, выделяют фиброзные, хрящевые и костные соединения.

Симфизы отличаются от непрерывных хрящевых соединений только наличием узкой полости в центре соединения. В симфизе допускается несколько большая подвижность. Так, например, в процессе родов, при несоответствии размеров головки плода размерам малого таза, возможно небольшое расхождение костей лобкового симфиза.

Суставы являются наиболее сложным соединением. Кости, участвующие в образовании сустава, обычно имеют схожие по форме поверхности, так, например, тазовая кость имеет шаровидную головку, которая сочленяется с полулунным вдавлением вертлужной впадины и вертлужной губой. Для того чтобы такое соединения было долговечным при постоянной подвижности, эволюция предусмотрела более мягкое, хрящевое покрытие соединяющихся поверхностей и систему постоянной смазки и питания суставного хряща в виде синовиальной жидкости. Синовиальная жидкость продуцируется капсулой сустава, которая плотно приращена к надкостнице выше и ниже соединения. Капсула также регулирует объём суставной полости и выполняет изолирующую функцию, кровь через кровеносные сосуды поступает в капсулу, а в полость сустава поступает уже только самое необходимое из крови — синовиальная жидкость. В некоторых суставах для лучшего соответствия суставных поверхностей присутствуют дополнительные образования, например, диски между позвонками или мениски в коленном суставе. Так же сложные суставы, вроде коленного, укрепляются дополнительными внутрисуставными связками.

Для удобства классификации движений в суставах принята система из трёх плоскостей. Фронтальная — проходит через центральную ось сверху вниз и параллельна линии, проходящей через глаза. Сагиттальная —перпендикулярна фронтальной. «Сагитта» переводится как стрела. Продольная, или горизонтальная, плоскость — проходит параллельно земле, если, конечно, объект стоит. Сгибание и разгибание происходит во фронтальной плоскости. Приведение и отведение — в сагиттальной. Далее кость может осуществлять вращение относительно своей продольной оси.

Некоторые суставы способны на более сложные движения, в нескольких плоскостях сразу, поэтому их называют многоосными.

На нашем сайте представлена подробная статья о строении скелета позвоночника, здесь же мы подробно рассмотрим кости и соединения костей конечностей.

В ходе эволюционного развития и постепенного перехода от ходьбы на четвереньках к прямохождению, развитие верхних и нижних конечностей пошло разными путями. При этом мы по-прежнему видим некоторые сходства, примерно одинаковое количество входящих в скелет костей, а также деление на подобные сегменты. Так, например, принято выделять пояс конечности, ближний к телу проксимальный сегмент, представленный одной костью, средний участок из двух костей и дистальный, отдалённый отдел конечности, состоящий из множества костей.

Рука более свободно прикреплена к телу, способна совершать более тонкие и сложные движения, суставы более подвижные. Нога — напротив, имеет более массивное строение, пояс закреплён менее подвижно, суставы имеют меньше степеней свободы. Очевидно, что верхние и нижние конечности приобрели уникальное строение, наилучшим образом подходящее для выполняемой функции.

Верхняя конечность, в отличие от нижней, в меньшей степени испытывает нагрузку на сдавление, но в большей — на растяжение. В связи с этим, скелет более легкий, пояс конечности закреплён подвижно и представлен двумя костями: ключицей и лопаткой.

Ключица расположена на передней поверхности грудной клетки на уровне первых рёбер. Верхний край грудины имеет суставные поверхности для присоединения грудинного края ключицы. Далее, изгибаясь в форме сильно растянутой латинской буквы S, ключица продолжается в акромиальный край, который соединяется с акромиальным отростком лопатки, образуя сустав.

Лопатка расположена на задней поверхности грудной клетки, имеет трёхгранную форму. Внутренняя поверхность служит для прикрепления мышц, внешняя также выступает местом мышечной фиксации, для этого даже существует специальный вырост, кость лопатки, продолжающаяся в акромиальный отросток. Также и внешний угол лопатки сверху продолжается в крыловидный отросток. Внешний край лопатки несёт суставную поверхность для соединения с головкой плечевой кости.

Кости свободной части верхней конечности

Рука разделена на три сегмента: плечо, скелет которого имеет одну плечевую кость, предплечье, состоящее из плечевой и локтевой кости и кисти, которая в свою очередь разделяется на запястье, пястье и фаланги пальцев.

Плечевая кость трубчатая и длинная, сверху соединяется с лопаткой, а снизу — с локтевой и лучевой костями. Суставная поверхность верхнего края — это шаровидная головка, соединённая с телом кости под углом посредством шейки.

Для образования локтевого сустава нижний край плечевой кости имеет суставную поверхность в виде блока. Выше суставной поверхности есть ямки, образовавшиеся от соприкосновения с шиловидными отростками костей предплечья в крайних положениях сустава. Эти ямки ограничивают сустав от переразгибания.

Локтевая кость в совокупности с лучевой костью представляет скелет предплечья. Верхний край локтевой кости с внутренней стороны имеет суставную поверхность для соединения с головкой лучевой кости. Нижний край — напротив, представлен головкой и соединяется с суставной поверхностью нижнего края лучевой кости с внешней стороны. Вместе эти две кости соединяются сверху с блоком плечевой кости, образуя локтевой сустав. Снизу предплечье продолжается в кисть с образованием лучезапястного сустава. В предплечье возможно движение типа скручивания, осуществляющееся за счет вращения костей относительно друг друга и их скрещивания в крайней точке. Такое скручивание называется пронация и супинация, легко запомнить выражение: «суп наливаю» (кисть поворачивается ладонью вверх) — «суп проливаю» (кисть поворачивается ладонью вниз).

Кисть состоит из трёх отделов: запястья, пястья и пальцев, соединённых между собой большим количеством суставов и связок, что позволяет осуществлять широчайший спектр движений.

Как и в случае с верхней конечностью, нижняя конечность прикрепляется к так называемому поясу нижней конечности. В отличие от верхней конечности, пояс нижней более массивный и фиксированный. Седалищная, подвздошная и лобковые кости, соединяясь, образуют тазовую кость. Три кости сходятся своими углами в области вертлужной впадины — места прикрепления бедренной кости с образованием тазобедренного сустава. Две тазовые кости спереди соединяются посредством лобкового симфиза, а сзади образуют соединение с крестцом.

Женский таз шире и короче, кости тоньше, а все его размеры больше, чем у мужчин. Также отличается угол образующийся соединением лобковых костей, у мужчин он острый (70-75°), у женщин — прямой (90-100°). Нижнее отверстие женского таза шире. Также женский таз чуть сильнее наклонён вперёд относительно горизонтальной плоскости. Это связано с различием угла, под которым шейка бедренной кости отходит от тела.

Все эти отличия связаны с детородной функцией у женщин и становятся заметны начиная с 8-летнего возраста.

Кости свободной части нижней конечности

Свободная нижняя конечность разделена на три сегмента, проксимальный представлен бедренной костью, средний — большеберцовой и малоберцовой костями, стопа состоит из 26 костей.

Бедренная кость — самая крупная трубчатая кость в теле. Головка бедренной кости присоединяется к телу кости посредством шейки, которая расположена под различным углом у мужчин (130°) и у женщин (100°). Женская походка с раскачиванием бёдер связана как раз с этим отличием.

Нижний эпифиз бедренной кости сложно устроен. На нём выделяют два мыщелка, разделённых межмыщелковой ямкой.

Надколенник — сесамовидная кость, расположенная в толще сухожилия четырёхглавой мышцы бедра. Защищает коленный сустав спереди.

Большеберцовая кость — трубчатая кость, верхний эпифиз участвует в образовании коленного сустава, нижний — голеностопного. На верхнем эпифизе выделяются два мыщелка и возвышение между ними. Также с внешней стороны образована суставная поверхность для сочленения с малоберцовой костью. Суставная поверхность нижнего края бедренной кости, верхнего края большеберцовой кости и внутренняя поверхность надколенника формируют коленный сустав. Пространство между костями для лучшей амортизации занимают хрящевые мениски, а также присутствуют крестообразные связки для повышения стабильности. Коленный сустав самый крупный и самый сложный в теле.

Малоберцовая кость — тонкая длинная трубчатая кость. Сверху и снизу соединяется с большеберцовой костью малоподвижными соединениями. Движения типа скручивания в нижней конечности происходят в основном за счёт вращения в тазобедренном суставе. Большеберцовая и малоберцовые кости и отходящие от них лодыжки образуют своего рода углубление, в которое входит блок таранной кости. Лодыжки в данном случае ограничивают оси движения сустава до одной, вперёд и назад.

Стопа отличается от кисти наибольшим образом. Отсутствие необходимости хватательной функции в ходе эволюционного развития укоротило пальцы и привело большой палец в один ряд к остальным, это поспособствовало более равномерному распределению нагрузки. В связи с тем, что вышележащие суставы могут быть повреждены при резком воздействии вдоль вертикальной оси, стопа приобрела сводчатое строение, что значительно улучшило травмобезопасность при движении. Стопа сводчатого строения это уникальный продукт эволюции, встречающийся только у людей. Сводчатое строение удерживается за счёт сухожилий и мышц. Важно отметить, что помимо продольного, проходящего от пятки к пальцам, есть ещё и поперечный свод, проходящий от подушки возвышения мизинца к возвышению большого пальца.

Здоровая стопа опирается в основном на наружный край и возвышения первого и пятого пальцев.

В случае, если по какой-то причине сначала уплощается поперечный свод, что может вообще остаться незамеченным, а затем и продольный, кости стопы смещаются от естественного положения. Такое изменение на уровне фундамента человеческого тела вызывает серьёзные изменения во всех вышерасположенных суставах, вплоть до шейного отдела позвоночника.

Плоскостопие может стать одной из причин нарушения функции суставов, тазовых органов, органов брюшной и грудной полости. В связи с этим, абсолютно каждому человеку рекомендуется проводить профилактику. Так, например, ходьба босиком, контрастный душ и любые общеукрепляющие упражнения позволят держать стопу в тонусе.

Особое внимание следует уделить своду стопы при беременности, так как происходит физиологически нормальная прибавка в весе, что является стрессовым фактором для пассивных и активных формирователей свода.

Удивительная глубина кристаллического узора в человеческой кости | Имперские новости

Повторяющиеся паттерны минералов в костях уходят глубже и меньше, чем считалось ранее, обнаружили исследователи Imperial и York.

Кость в основном состоит из гибкого белкового коллагена и твердого минерала апатита. Два элемента расположены во вложенных повторяющихся узорах от меньшего к большему, что в конечном итоге влияет на общую структуру кости.

Расположение этих материалов определяет прочность и прочность человеческих костей.Однако до сих пор ученые не знали, как жесткие и гибкие компоненты сочетаются друг с другом в меньшем масштабе.

Наша работа помогла раскрыть важную недостающую часть головоломки. — Профессор Молли Стивенс

Теперь исследователи глубоко погрузились в то, как устроены структуры, с помощью передовых трехмерных наноразмерных изображений минералов в человеческой кости. Используя этот метод, исследователи из Имперского колледжа Лондона и Йоркского университета показали, что иерархические структуры минералов, которые наблюдались ранее, присутствуют даже в наномасштабе на кристаллитах костных минералов.

Ажурные и стержневидные узоры переплетения в кости. Это одно из самых подробных трехмерных изображений кости, когда-либо созданных.

Используя методы электронной микроскопии, исследователи также обнаружили, что основными строительными блоками кристаллов в этом крошечном масштабе являются изогнутые кристаллы игольчатой ​​формы, которые образуют более крупные скрученные пластинки, напоминающие лопасти пропеллера.

В масштабе микрометра «лезвия» непрерывно сливаются и расходятся. Интеркалирующие, непрерывные сети минералов и белков обеспечивают прочность, необходимую для функциональных костей.

Соавтор-корреспондент профессор Молли Стивенс из Департамента материалов и биоинженерии Imperial сказала: «Эта работа основана на элегантных предыдущих исследованиях, посвященных изучению фундаментальных свойств и структуры кости. Наша работа помогла раскрыть важную недостающую часть головоломки ».

Ведущий автор доктор Роланд Крегер из Йоркского университета сказал: «Комбинация материалов придает кости лучшие механические свойства, чем сумма ее частей. Теперь мы выяснили, как эти два жестких и гибких элемента уникальным образом сочетаются, чтобы придать костям прочность и прочность.”

Различные формы кости

Природные фракталы

Элементы, из которых состоит кость, имеют слегка изогнутые, скрученные формы. В меньшем масштабе изгибаются кристаллы минералов, нити коллагена скручиваются вместе, а минерализованные волокна коллагена скручиваются, как и элементы более крупного масштаба, называемые остеонами — основные единицы, из которых состоит кость.

Подобно ударам молний, ​​береговой линии, ветвям деревьев, облакам и снежинкам, крошечные костяные структуры повторяют естественные повторяющиеся узоры. — Д-р Натали Резникова

Самовоспроизводящиеся узоры отражают фракталы в природе, такие как снежинки или молнии.

Первый автор Д-р Натали Резникова, которая выполнила работу во время

Самовоспроизводящиеся узоры отражают фракталы в природе, как в снежинках или молниях. Докторант

в Imperial сказал: «Подобно ударам молнии, береговой линии, ветвям деревьев, облакам и снежинкам, крошечные костные структуры повторяют естественные повторяющиеся узоры.

«Эти естественные фракталы являются примерами подобных повторений, сделанных в других естественных узорах, сложность которых возрастает с увеличением.«

Исследование опубликовано в журнале Science и финансируется Советом по исследованиям в области инженерных и физических наук Великобритании (EPSRC) и Wellcome Trust.

«Фрактальная иерархическая организация кости начинается с наномасштаба» Натали Резникова, Мэтью Билтон, Леонардо Лари, Молли М. Стивенс, Роланда Крегера. Опубликовано 4 мая 2018 г. в журнале Science.

Изображение кредита:

Главное видео: Йоркский университет

Изображение 1: Йоркский университет

Изображение 2: Йоркский университет

Изображение 3: Shutterstock / Kichigin

См. Пресс-релиз этой статьи

Химическая томография человеческой кости в атомном масштабе

Человеческая костная ткань верхней челюсти была сформирована в заостренный наностолбик для ПЭМ и APT с использованием метода in-situ FIB (рис.S1). Z-контрастные изображения были записаны на высокоугловом кольцевом детекторе темного поля (HAADF), чтобы обеспечить композиционный контраст для структурных ориентиров. Используя тот же образец, APT обнаружил химическое распределение на уровне, близком к субнанометровому, которое затем можно было сопоставить с электронно-микроскопическими изображениями. Комбинация этих методов позволяет нам сообщать об архитектуре костей и химическом распределении с непревзойденной пространственной точностью и уверенностью.

В этой работе мы продвигаем анализ человеческой кости к наименьшему возможному сегодня масштабу длины — к отдельным атомам, составляющим ткань.Действительно, сложность, связанная с APT-экспериментами и реконструкцией данных с использованием кости, усугубляется их крайне неоднородной природой, поскольку большинство стандартных APT-теории и алгоритмов реконструкции основаны на однородных материалах. В этой связи подчеркивается важность корреляционной микроскопии. Сравнивая STEM-изображения образца до анализа APT (например, типичный набор данных, показанный на рис.1), мы можем точно измерить половину угла хвостовика, чтобы помочь с реконструкцией, и не должны зависеть от соотношения между приложенным постоянным напряжением. и радиус наконечника, который может быть нестандартным для непроводящих материалов.Для повышения пространственной точности реконструкций поле испарения должно быть оценено так, чтобы богатые кальцием особенности в реконструкции согласовывались с яркими контрастными областями на изображениях STEM. Процедуры сбора и восстановления данных более подробно описаны в разделе рукописи «Материалы и методы». Кроме того, сравнение с особенностями изображения STEM позволило нам определить точные параметры реконструкции для правильного распределения элементов в трехмерном пространстве.Например, изображение HAADF STEM (рис. 1a) может быть легко интерпретировано на основе его композиционного контраста — тромбоцитарные яркие стержни представляют собой богатые кальцием и фосфатом кристаллы костных минералов, видимые на этом изображении, ориентированные под небольшим углом к ​​поверхности. длинная ось иглы APT. Менее плотные, богатые органическими веществами области контрастируют темнее. Знание этих особенностей, отмеченных в STEM-изображении, было ключевым для оптимизации параметров реконструкции для набора данных APT, наложенного на рис. 1b и c. Параметры реконструкции, сгенерированные из корреляционных данных, также могут применяться к наборам данных, когда корреляционные данные недоступны.

Рис. 1: Корреляционная электронная микроскопия и APT выявляют структурное и химическое распределение в кости.

Параметры реконструкции были оптимизированы для детектирования и эффективности испарения за счет использования структурной информации из изображений STEM HAADF кончика кости перед APT ( a ), чтобы получить карту градиента концентрации Ca из анализа APT ( b ), показано перекрытие в ( c ). Области, богатые Ca (красный), хорошо соответствуют пластинчатым кристаллам, отображаемым в STEM (яркие игольчатые детали).

Было получено

спектров APT из нескольких образцов костей; Репрезентативный спектр, подчеркивающий химическую сложность, показан на рис. 2 для полного образца кости (рис. 2a) и подобъемов, относящихся к минеральным и матричным областям (рис. 2b и c, соответственно). Реконструкция этих спектров в карты градиентов (например, рисунки 1 и 3) обеспечивает удобный способ визуализации композиционных и пространственных соотношений минерал-матрица, которые труднее визуализировать на трехмерных атомных картах или поверхностях изоконцентрации из-за плотной неоднородности кости.В таблице 1 представлен общий состав костей человека, измеренный с помощью APT и усредненный по всем наборам данных. Значения хорошо согласуются с ожидаемыми концентрациями, основанными на предположении, что минеральной фазой в кости является гидроксиапатит. Измеренное атомное соотношение Ca: P составляет 2,26 ± 0,51, что близко к стехиометрическому соотношению 1,67 в гидроксиапатите. Наши наборы данных обычно показывают меньшие тепловые хвосты и более низкий фон, чем многие другие исследованные костеподобные минералы, и, таким образом, показывают значительно больше пиков над фоном.Однозначная идентификация многих из этих более мелких пиков является очень сложной задачей, поскольку обычно существует множество возможных комплексных ионов, а несколько поддерживающих пиков других изотопов, которые можно использовать, подтверждают ранжирование. Кроме того, все еще ожидается, что многие другие пики присутствуют ниже фона или в основных тепловых хвостах и ​​не могут быть учтены. Эта проблема с ранжированием ионов проиллюстрирована для P-родственных ионов, где низкий вклад в соотношение Ca: P, вероятно, связан с неранжированными P-содержащими соединениями, либо неидентифицированными, либо потерянными в фоновом режиме.Кроме того, некоторое изменение состава может быть связано с неоднозначностью диапазона молекулярных ионов, пики которых перекрываются из-за эквивалентного отношения масса: заряд, например P ₂ O ₄ ²⁺ , которое перекрывается с PO ₂ ⁺ . К сожалению, в настоящее время не существует стандартов для определения расстояния между этими ионами.

Рисунок 2: масс-спектры APT кости.

Типичные масс-спектры для APT-анализа кости человека ( a ), а также подобъемов, соответствующих минеральным Ca-богатым ( b ) и матричным C-богатым фазам ( c ).Части в ( b, c ) были выбраны как области с ≥50 ат.% Ca и ≥35 ат.% C, соответственно. Некоторые виды ионов также указаны на спектрах.

Рисунок 3: Минеральные градиенты в кости.

3D-рендеринг показывает объемную концентрацию Са, представляющего костный минерал, в образце человеческой кости ( a ). Сечения, перпендикулярные оси образца ( b, c ), и ортогональные сечения, параллельные оси образца ( d, e ), раскрывают детали изменения структуры.Сечения, перпендикулярные оси образца, выделяют ( b ) чередующиеся полосы, богатые минералами и коллагеном (показаны на дополнительных картах концентрации C), и ( c ) богатые минералами области, окружающие кольцевые фибриллы коллагена, богатые органическими веществами, потенциально места расположения экстрафибриллярных минералов. . Пластинчатые кристаллы прозрачны на ( d, e ), демонстрируя чередующиеся кластеры с высоким и низким содержанием кальция, которые имеют ширину порядка 50–70 нм.

Таблица 1 Состав человеческой кости, измеренный с помощью APT.

Минерально-матричная организация

Наши результаты подчеркивают пластинчатую структуру кристаллов гидроксиапатита, лучше всего выделенную на картах градиента концентрации Са из набора данных, содержащего более 10 × 10 ⁶ ионов, показанных на рис. 3. Мы находим, что Расположение богатых кальцием минеральных структур зависит от их расположения или ориентации в образце. Они выглядят как пластинки, прилегающие к областям, богатым углеродом (рис. 3b), или как округлые формы, охватывающие богатые углеродом и богатые азотом области (не показаны), которые напоминают фибриллярные структуры коллагена, хотя и немного меньше в диаметре (рис.3в). Этот вывод, а также общее наблюдение о том, что расположение областей, богатых Ca и C, дополняют друг друга (рис.4), могут дополнительно подтвердить теорию о том, что некоторые минеральные компоненты кости существуют как внефибриллярные минералы, находящиеся вне зон зазора. в расположении коллагеновых фибрилл ^22,23 , также описанных как минеральные ламели в других работах ⁷ . Поскольку ориентацию коллагена в этом образце кости из верхней челюсти трудно предопределить, мы полагаем, что будущие исследования, которые ограничивают геометрию образца APT известным расположением коллагена, например, в длинных костях, помогут расшифровать расположение гидроксиапатита внутри или снаружи коллагеновые фибриллы.Чтобы лучше визуализировать наложение компонентов органической матрицы (богатых углеродом) и неорганических минералов (богатых кальцием), мы отсылаем читателей к фильму S1.

Рис. 4: Составление основных и второстепенных элементов в кости человека с помощью APT.

Основные компоненты кости (Ca, C, O, P и Na) из объемного сечения APT толщиной 8 нм ( a ). Богатые минералами элементы Ca, O и P ( b ) преимущественно пространственно инвертированы по сравнению с областями органических коллагеновых фибрилл (богатых C), как показано в ( c ).Карта концентрации Na, наложенная на карты концентрации Ca, C в ( d ), предполагает совместную локализацию Na с органическими компонентами кости и на границе раздела органических и неорганических веществ. Пунктирная линия ( d ) указывает область, изображенную на рис. 5.

Совместная локализация элементов

Кость содержит много микроэлементов, таких как Na, Mg, F и Sr. Исследования с масс-спектроскопией вторичных ионов (SIMS ) предположили, что Na находится в органической фазе кости ²⁴ .APT других минерализованных тканей, включая дентин бивня слона и хитон беспозвоночных, обнаружил совместную локализацию ионов Na ⁺ и Mg ²⁺ с коллагеном и приписал это присутствию специфических ион-связывающих белков или протеогликанов. в органических волокнах ^15,16 . При этом Na был обнаружен по всей кости, но наиболее сконцентрирован в областях, совместно локализованных с богатыми C органическими коллагеновыми и неколлагеновыми белковыми компонентами кости (рис.4). Когда мы наносим составы на линейную область реконструированного объема (рис.5), мы можем идентифицировать органо-неорганические границы как области, демонстрирующие резкие изменения в составе между минеральными (богатыми кальцием) и матричными (богатыми углеродом) областями, как показано на красной и синей кривых на рис. 5. Добавляя Na к этому графику (зеленая кривая, рис. 5), мы отмечаем, что на границах раздела органо-неорганические соединения постоянно наблюдается небольшое обогащение Na, как показано стрелками (рис. 5). ). Хотя локализация Na ясна в этой работе, аналогичные выводы для Mg сделать гораздо труднее из-за неоднозначности масс-спектров APT, вызванной перекрытием между основными пиками Mg и C в масс-спектрах.Далее поясняется фигурально на фиг. S2, доминирующими пиками для Mg и C являются ²⁴ Mg ²⁺ и ¹² C ⁺ , которые оба появляются при значении массы: заряда 12 Да. Можно подтвердить, что Mg и C совместно локализуются, анализируя расположение ионов ²⁴ Mg ⁺ при 24 Да, но этот пик также может перекрываться с C в форме ¹² C ₂ ⁺ ионов. Поскольку существует 3 возможных изотопа для Mg: ²⁴ Mg, ²⁵ Mg и ²⁶ Mg, второстепенные изотопы ²⁵ Mg и ²⁶ Mg могут показывать пики без перекрытия и подтверждать совместимость. локализация Mg с C.Пик ²⁵ Mg ²⁺ при 12,5 Да наблюдается для богатых кальцием областей, подтверждая присутствие следовых количеств Mg в минеральном компоненте кости. Однако противоположное обнаружено для коллагена, богатого углеродом, где этот пик не наблюдается на достаточном уровне, чтобы появиться из-за теплового хвоста основного пика ¹² C ⁺ при 12 Да. Следовательно, в свете неопределенности в идентификации Mg в компоненте коллагена, мы опасаемся делать выводы о совместной локализации Mg с C, как это видно в APT других биоминералов.Напротив, пик для ^23, Na ⁺ при 23 Да также может несколько перекрываться, в данном случае тепловым хвостом ⁴⁰ Ca ²⁺ , простирающимся от 20 Да. Однако мы можем уверенно заявлять о совместной локализации Na и C, потому что обнаружено, что ²³ Na ⁺ обогащены в областях коллагенового компонента, а именно там, где ⁴⁰ Ca ²⁺ нет. Следовательно, в этих областях с низкой концентрацией Ca ионный пик ²³ Na ⁺ однозначно представляет Na, и нет значительного перекрытия с ⁴⁰ Ca ²⁺ .Полный список ранжированных разновидностей ионов можно найти в таблице S1. Наши результаты ясно демонстрируют, что APT способен обнаруживать микроэлементы, такие как Mg и Na, и мы можем с уверенностью утверждать, что Na разделяется на области, связанные с областями, богатыми органическими веществами, и дополнительно обогащается на границах органических-неорганических соединений, в то время как Mg может быть только подтверждено в минеральной фазе, вероятно, как Mg-замещенный костный минерал.

Рис. 5: Профили состава Ca, C и Na.

Одномерные профили концентрации атомов Ca, C и Na показывают, что концентрации Ca и C колеблются друг напротив друга в зависимости от относительных количеств отбираемых минеральных и органических фаз.Na преимущественно совмещен с C, но часто имеет пики концентрации на границах раздела минерал-органика (как показано стрелками). Эти профили были получены путем выборки набора данных, показанного на рис. 4d, с использованием вложенного объема 5 × 5 × 50 нм.

В то время как связанные результаты, полученные на других биоминеральных образцах, интересны, значимость текущих открытий для костей человека по сравнению с беспозвоночными и другими позвоночными животными с кардинально отличающимися от человека структурой скелета отмечена.APT в настоящее время является единственным доступным методом для подтверждения элементарной неоднородности, которую мы показали в человеческой кости в масштабе длины, близком к субнанометровому. Важно отметить, что в этом исследовании человеческая кость из верхней челюсти не была извлечена в известной ориентации, то есть не перпендикулярно или параллельно какой-либо нагрузке или известным анатомическим особенностям. В будущем выбор образца из хорошо охарактеризованного анатомического местоположения может облегчить интерпретацию данных APT. Например, фибриллы коллагена и костный минерал обычно выстраиваются вдоль длинной оси длинных костей — предоставление этой априорной информации при назначении структур упростило бы неоднозначность при реконструкции.

Зажигалка для костей суставов человека в сельском хозяйстве | Наука

Исследователи обнаружили, что плотность костей суставов человека оставалась довольно высокой до недавнего времени в нашей эволюционной истории, примерно в то же время, когда люди начали переключаться с охоты и собирательства на сельское хозяйство. Боян Бречель / CORBIS

Проводить больше времени сидя на заднице — это проблема не только для ожирения и болезней сердца. Переход к более сидячему образу жизни, вероятно, тоже плохо сказался на наших костях.Пара статей, опубликованных сегодня в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences , предполагает, что люди относительно недавно в нашей эволюционной истории развили более легкие суставные кости в ответ на изменения в физической активности.

Одно исследование указывает на происхождение этих более слабых костей в начале эпохи голоцена примерно 12000 лет назад, когда люди начали осваивать сельское хозяйство. «Современные человеческие скелеты совсем недавно сместились в сторону более легких — если хотите, более хрупких — тел.Это началось, когда мы взяли на вооружение сельское хозяйство. Наши диеты изменились. Уровень нашей активности изменился », — говорит соавтор исследования Хабиба Чирчир, антрополог из программы« Происхождение человека »Смитсоновского института.

Второе исследование приписывает слабость костей суставов различным уровням физической активности в древних человеческих обществах, которые также связаны с охотой и сельским хозяйством. Обе работы имеют значение для здоровья современного человека и важность физической активности для прочности костей.

«Легко сложенный скелет современного человека имеет прямое и важное влияние на прочность и жесткость костей», — говорит Тим ​​Райан, антрополог из Университета штата Пенсильвания и соавтор второго исследования.Это потому, что легкость может привести к слабости — большему количеству сломанных костей и более высокому риску остеопороза и возрастной потери костной массы.

Ученые уже знали, что современный человеческий скелет длиннее, тоньше и в целом слабее, чем у его предшественников-гомининов, но никто не был уверен, что движет этой «грациозностью». Предыдущие исследования показали, что ходьба в вертикальном положении оказывает большее давление на суставы, чтобы они были длинными и стройными, в то время как другие утверждали, что за этими изменениями скелета стояло снижение физической активности или изменения в диете.

Недавно ученые обратили внимание на губчатую кость, губчатый материал, который находится на концах костей, образующих суставы. «Подумайте о конце куриной кости: если вы прорежете его, то увидите переплетенную сеть костей», — говорит Чирчир. У современных людей плотность губчатых костей внутри определенных костей ниже, чем у их предков.

Губчатая кость реагирует на механическое воздействие, поэтому Чирчир и ее коллеги решили провести компьютерную томографию костей рук приматов, в том числе человека, чтобы увидеть, отличается ли кость в зависимости от того, как двигались животные.«Мы думаем, что если орангутанг карабкается, у него должна быть другая структура губчатой ​​кости, чем у шимпанзе, ходящих на костяшках пальцев», — говорит Чирчир.

Команда заметила, что сканированные изображения рук людей сильно отличались от изображений рук их родственников-приматов. На снимках компьютерной томографии пузырьки воздуха выглядят темными на белом фоне кости. «Человеческая рука имела очень мало белого цвета по сравнению с другими костями рук приматов», — говорит Чирчир, указывая на то, что она может быть невероятно воздушной и легкой.«Так что это была поразительная вещь». Она и ее коллеги задались вопросом, какова плотность губчатой ​​кости в остальной части человеческого скелета по сравнению с таковой у других приматов и ранних предков человека.

На этих поперечных срезах головки пястной кости и бедра вы можете увидеть уменьшение плотности губчатой ​​кости, прогрессирующее от шимпанзе (крайний слева) до современного человека (крайний справа). PNAS / Чирчир и др.

Команда просканировала круглые сечения семи костей суставов верхних и нижних конечностей у шимпанзе, борнейских орангутанов и павианов.Они также сканировали одни и те же кости у современных и ранних современных людей, а также у неандертальцев, Paranthropus robustus , Australopithecus africanus и других австралопитеков. Затем они измерили количество белой кости при сканировании по отношению к общей площади, чтобы определить плотность губчатой ​​кости. Обработка чисел подтвердила их визуальные подозрения. У современных людей губчатая кость на 50-75 процентов меньше, чем у шимпанзе, а у некоторых гомининов кости были в два раза плотнее, чем у современных людей.

Так когда же в генеалогическом древе человека начала падать плотность губчатой ​​кости? Команда обнаружила, что ранний Homo sapiens имел довольно плотную губчатую кость до позднего плейстоцена или раннего голоцена, когда люди претерпевали некоторые важные изменения в образе жизни, такие как выращивание пищи и разведение домашнего скота, а не выход на охоту. Это, вероятно, означает, что давление отбора для более тяжелых костей начало уменьшаться.

«Мы думаем, что происходит то, что люди стали менее активными, более малоподвижными.Люди взяли на вооружение земледелие, приручили животных. Это снижение физической активности привело к появлению этого легкого скелета », — говорит Чирчир. Но это исследование рассматривало только один фактор губчатой ​​кости — плотность. Толщина, объем и площадь губчатой ​​кости могут многое сказать нам о прочности суставных костей. В работе также не рассматривались современные люди-фуражиры, чтобы увидеть, дает ли их повышенная активность более сильные суставы. Вот тут и пригодится второе исследование.

Райан объединился с Колином Шоу из Кембриджского университета, чтобы исследовать трабекулярную кость на археологических образцах из четырех древних групп людей — двух, занимавшихся сельским хозяйством, и двух, занимавшихся добычей пищи, — на территории нынешнего Иллинойса.Исследователи сосредоточились на тазобедренном суставе, потому что он важен для того, чтобы выдерживать вес человеческого скелета во время ходьбы.

Они обнаружили, что

собирателей имели более толстую губчатую кость, больший объем и меньшую площадь поверхности бедер, чем фермеры. Эти две фермерские группы ничем не отличались друг от друга, и «обе группы, ведущие оседлый образ жизни, также потребляли ряд доступных местных продуктов, а это означает, что их диеты не обязательно были дефицитными», — говорит Райан. Это говорит о том, что диета менее важна, чем биомеханический стресс, возникающий при ходьбе на большие расстояния и охоте на животных, которые ложатся на бедра человека.

Основываясь на сканировании микроКТ, Райан и Шоу создали эти трехмерные изображения головки бедренной кости, полученные от агронома (внизу) и охотника-собирателя (вверху). Эти изображения помогли им определить объем губчатой ​​кости на участках головки бедренной кости. Предоставлено Тимоти М.Райан Основываясь на работе Райана и Шоу, относительно оседлые земледельцы (справа) имеют более легкие скелеты по сравнению с более мобильными собирателями (слева). Двухмерные изображения микро-КТ через головку бедренной кости в месте ее соединения с тазобедренным суставом показывают различия в структуре кости. Предоставлено Тимоти М.Райан

Хотя Чирчир указывает, что они не могут исключить такие факторы, как диета или болезнь, оба исследования указывают на физическую активность как на движущий фактор этих изменений в нашем скелете. Она также отмечает, что физическая активность может изменить наш скелет в ходе эволюционной истории и в течение нашей собственной жизни. Это важно для тех из нас, кто живет в индустриальной среде, где мы проводим много времени сидя на работе и дома.В таких местах чаще встречаются случаи остеопороза, и у пациентов с остеопорозом трабекулярная кость имеет самый высокий риск перелома.

«Люди могут иметь прочную структуру губчатой ​​кости, подобную той, что наблюдается у живых нечеловеческих приматов, если они на протяжении всей жизни занимаются соответствующей физической активностью», — говорит Райан. Это могло бы срезать переломы бедра, связанные с потерей костной массы с возрастом. Так что, возможно, вместо того, чтобы есть, как древние люди, нам следует тренироваться, как они.

Анатомия Антропология Кости Эволюция Эволюция человека

Рекомендованные видео

«Строений» из человеческих костей могут стать ключом к созданию более прочных легких конструкций, напечатанных на 3D-принтере

WEST LAFAYETTE, Ind.- Что общего между костями и зданиями, напечатанными на 3D-принтере? У них обоих есть колонны и балки внутри, которые определяют, как долго они прослужат.

Теперь открытие того, как «луч» в человеческом костном материале справляется с износом в течение всей жизни, может привести к разработке легких материалов, напечатанных на 3D-принтере, которые служат достаточно долго для более практического использования в зданиях, самолетах и ​​других конструкциях.

Исследователи напечатали на 3D-принтере полимерные модели трабекул в костях человека и приложили к ним нагрузки, исследуя, играют ли определенные структуры более значительную роль в прочности кости, чем считалось ранее.(Фотография Университета Пердью / Пабло Заваттьери) Скачать изображение

Группа исследователей из Корнельского университета, Университета Пердью и Западного резервного университета Кейса обнаружила, что когда они имитировали этот луч и сделали его примерно на 30% толще, искусственный материал мог прослужить до 100 раз дольше.

«Кость — это здание. В нем есть эти колонны, которые несут большую часть нагрузки, и балки, соединяющие колонны. Из этих материалов мы можем научиться создавать более надежные 3D-печатные материалы для зданий и других сооружений », — сказал Пабло Заваттьери, профессор школы гражданского строительства Лайлса Purdue.

Кости получают свою прочность благодаря губчатой ​​структуре, называемой трабекулами, которая представляет собой сеть связанных между собой вертикальных пластинчатых распорок и горизонтальных стержневых распорок, действующих как колонны и балки. Чем плотнее трабекулы, тем более эластична кость для повседневной деятельности. Но болезнь и возраст влияют на эту плотность.

В исследовании, опубликованном в Proceedings of the National Academy of Sciences, исследователи обнаружили, что даже несмотря на то, что вертикальные стойки способствуют жесткости и прочности кости, на самом деле кажущиеся незначительными горизонтальные стойки увеличивают усталостную долговечность кости.

Группа Кристофера Эрнандеса в Корнелле подозревала, что конструкции горизонтальных стоек важны для прочности костей, вопреки широко распространенным представлениям о трабекулах.

На этом изображении бедренной кости человека показаны соединенные между собой белые линии, стойки, образующие губчатую трабекулу кости. Исследование показало, что более толстые горизонтальные стойки могут увеличить усталостную долговечность кости. (Фото Корнельского университета / Кристофер Эрнандес) Скачать изображение

«Когда люди стареют, они сначала теряют эти горизонтальные стойки, увеличивая вероятность того, что кость сломается от многократных циклических нагрузок», — сказал Эрнандес, профессор механической, аэрокосмической и биомедицинской инженерии.

Дальнейшее изучение этих структур может помочь найти лучшие способы лечения пациентов, страдающих остеопорозом.

Тем временем дома и офисы, напечатанные на 3D-принтере, все чаще используются в строительной отрасли. Хотя производство намного быстрее и дешевле, чем их традиционные аналоги, даже напечатанные слои цемента должны быть достаточно прочными, чтобы справиться со стихийными бедствиями — по крайней мере, так же хорошо, как в современных домах.

Эту проблему можно решить, тщательно изменив внутреннюю структуру или «архитектуру» самого цемента.Лаборатория Заваттьери разрабатывает архитектурные материалы, вдохновленные природой, улучшая их свойства и делая их более функциональными.

В рамках постоянных усилий по внедрению в эти материалы лучших природоохранных тактик лаборатория Заваттьери внесла свой вклад в моделирование механического анализа, чтобы определить, могут ли горизонтальные стойки играть большую роль в человеческих костях, чем считалось ранее. Затем они разработали напечатанные на 3D-принтере полимеры с архитектурой, подобной трабекулам.

Инженеры разработали материал с таким же количеством стержневых и пластинчатых структур, что и человеческие трабекулы, и расположили их в периодическом порядке, представляя новый способ укрепления легких трехмерных печатных структур.(Фотография Университета Пердью / Пабло Заваттьери) Скачать изображение

Моделирование показало, что горизонтальные стойки имеют решающее значение для продления усталостной долговечности кости. Видео на YouTube доступно по адресу https://youtu.be/XK7NZMZ4YDs.

«Когда мы провели моделирование микроструктуры кости при циклической нагрузке, мы смогли увидеть, что деформации будут концентрироваться в этих горизонтальных стойках, и, увеличив толщину этих горизонтальных стоек, мы смогли уменьшить некоторые из наблюдаемых деформаций. », — сказал Адвайт Триканад, соавтор этой работы и доктор философии по гражданскому строительству.D. студент Purdue.

Приложение нагрузок к полимерам, напечатанным на 3D-принтере, подтвердило это открытие. Чем толще горизонтальные стойки, тем дольше полимер выдержит нагрузку.

Поскольку утолщение распорок не привело к значительному увеличению массы полимера, исследователи полагают, что такая конструкция будет полезна для создания более упругих легких материалов.

«Когда что-то легкое, мы можем использовать меньше», — сказал Заваттьери. «Создание более прочного материала без утяжеления означало бы, что 3D-печатные конструкции могут быть построены на месте, а затем транспортированы.Эти знания о человеческих костях могут помочь в привлечении большего количества архитектурных материалов в строительную отрасль ».

Среди других авторов исследования Эшли Торрес, Кэмерон Обин и Мэрисол Луна из Корнелла и Клэр Римнак из Университета Кейс Вестерн Резерв.

Эрнандес и Заваттьери организуют и проводят мероприятия по наставничеству для студентов и молодых исследователей в рамках Общества латиноамериканских профессиональных инженеров. Работа финансировалась Национальным институтом артрита, скелетно-мышечных и кожных заболеваний и наградой Национального научного фонда CAREER, получателем которой является Заваттьери.

Автор: Кайла Уайлс, 765-494-2432, [email protected]

Источники:

Пабло Заваттьери, 765-496-9644, [email protected]

Кристофер Эрнандес, 607-255-5129, [email protected]

Примечание для журналистов : Чтобы получить копию статьи, свяжитесь с Кайлой Уайлс, Служба новостей Purdue, по адресу [email protected]. Видео на YouTube доступно по адресу https://youtu.be/XK7NZMZ4YDs. Видео было создано Эрин Истерлинг, цифровым продюсером Инженерного колледжа Пердью, 765-496-3388, easterling @ purdue.edu. Другие фотографии и мультимедиа материалов, напечатанных на 3D-принтере, доступны в папке Google Диска по адресу http://bit.ly/3D-bone-inspired-media.

---

РЕФЕРАТ

Материалы с микроархитектурой на основе костей с увеличенным сроком службы

Эшли М. Торрес, ¹ Адвейт А. Триканад, ² Кэмерон А. Обин, ¹ Этаж М. Ламберс, ¹ Мэрисол Луна, ¹ Клэр М. Римнак, ³ Пабло Заваттьери , ² Кристофер Дж.Эрнандес, ^1,4

¹ Корнельский университет, Итака, Нью-Йорк, США

² Purdue University, West Lafayette, IN, USA

³ Университет Кейс Вестерн Резерв, Кливленд, Огайо, США

⁴ Госпиталь специальной хирургии, Нью-Йорк, Нью-Йорк, США

DOI: 10.1073 / pnas.1

4116

Материалы с микроархитектурой достигают превосходных механических свойств за счет геометрии, а не состава.Хотя сверхлегкие материалы с микроархитектурой могут иметь высокую жесткость и прочность, их применение в прочных устройствах потребует достаточного срока службы при циклической нагрузке. Природные материалы представляют собой полезные модели для материалов с высокими эксплуатационными характеристиками. Здесь мы показываем, что в губчатой ​​кости, естественном легком материале с микроархитектурой, сопротивление усталостному разрушению зависит от микроархитектурной характеристики, которая незначительно влияет на жесткость и прочность — пропорции материала, ориентированного поперек приложенных нагрузок.Используя модели, созданные с помощью аддитивного производства, мы показываем, что небольшое увеличение толщины элементов, ориентированных поперек нагрузки, может увеличить усталостную долговечность от 10 до 100 раз, что намного превышает ожидаемое изменение плотности. Поперечно ориентированные стойки повышают устойчивость к усталости, выступая в качестве жертвенных элементов. Мы показываем, что этот механизм также присутствует в синтетических структурах на микрочастицах, где усталостная долговечность может быть изменена в 5–9 раз с незначительными изменениями плотности и жесткости.Влияние микроструктуры на усталостную долговечность в губчатых костных и решетчатых структурах описывается эмпирически путем нормализации напряжения в традиционных кривых зависимости напряжения от срока службы (S-N) на √ψ, где ψ — это доля материала, ориентированного поперек нагрузки. Механические характеристики губчатой ​​кости и материалов с микроархитектурой улучшаются за счет выравнивания структурных элементов с ожидаемой нагрузкой; Наши результаты показывают, что эта стратегия достигается за счет снижения утомляемости, что имеет последствия для использования материалов с микроархитектурой в долговечных устройствах и для здоровья человека в контексте остеопороза.

---

Структура кости: полая или цельная

Опыт учителя

Кости — это живые ткани, которые содержат кровеносные сосуды и нервные клетки в структуре, состоящей из коллагена (гибкий волокнистый материал) и минералов (в основном, кальция и фосфата). Без кальция (в форме солей кальция) кость была бы гибкой и мягкой, а без коллагеновых волокон кость была бы хрупкой. Волокна коллагена и соли кальция вместе делают кости почти такими же прочными, как сталь, но намного легче.В отличие от стали, кость может восстанавливаться после перелома с помощью костеобразующих клеток (остеобластов) и клеток, переваривающих кость (остеокластов). Приставка «остео» означает кость.

Чтобы обеспечить поддержку и при этом легко перемещаться, кости должны быть прочными и легкими. Эти особенности наиболее важны для длинных костей рук, ног и крыльев.

Каждая длинная кость человека состоит из стержня (диафиза) с двумя расширенными концами (эпифизы). Диафиз напоминает полый цилиндр. Он изготовлен из твердой компактной кости, устойчивой к изгибу.

Во внутренней полости диафиза находится желтый костный мозг, в котором хранится жир. Эпифиз представляет собой тонкую оболочку из компактной кости, заполненную решетчатой ​​или губчатой ​​структурой, которая окружена красным костным мозгом (который образует красные кровяные тельца).

Материалы и настройка

Материалы для учителей

материалов на группу студентов (см. Настройку ниже)

• 2 бумажных стаканчика для ванной

• 6–10 тяжелых штабелируемых весовых единиц (кирпичи, банки, стопки бумаги или книги)

• 1/3 стакана сушеных бобов

• 1 длинная кость из куриной ножки или бедра, которые были приготовлены и очищены (см. Установку)

• Лупы

• Лист гофрокартона

• Копия ведомостей учащихся

---

Настройка

1. Найдите и приготовьте достаточно кусочков курицы, чтобы каждая группа учащихся могла получить одну или несколько костей (любого размера и формы).Вы также можете попросить учащихся принести из дома оставшиеся приготовленные куриные кости. ИЛИ используйте длинные кости, подготовленные для упражнения «Скелет».

2. Удалите все мясо с костей (может потребоваться дополнительное кипячение) и замочите кости в растворе отбеливателя и воды 1:10 на пять минут.

3. Дайте костям высохнуть, прежде чем использовать их в классе.

4. Разместите все материалы в центре.

5. Предложите учащимся работать в группах по два или четыре человека.

6. Выбросьте кости после активности.

---

Безопасность

Пожалуйста, прочтите «Настройка и управление» и соблюдайте все процедуры безопасности школьного округа и школьных лабораторий. Всегда полезно попросить учащихся мыть руки до и после любой лабораторной работы.

Процедура и продление

Время: одно или два занятия по 45-60 минут

1. Укажите на свою руку или ногу и попросите учащихся подумать о характеристиках, которые могут быть важны для крупных костей руки или ноги.Стимулируйте их мышление, задавая такие вопросы, как, Какую работу выполняет моя рука / нога? Имеет ли значение, сколько весят кости в моей руке / ноге? Имеет ли значение, если кости моих рук / ног очень крепкие? На основе ответов студентов составьте список желаемых характеристик длинных костей.

2. Сообщите студентам, что они будут проводить расследование, которое даст ключ к разгадке структуры длинных костей у людей и других позвоночных. В частности, они будут сравнивать относительную способность твердых и полых цилиндров выдерживать внешние веса.Спросите, Может ли полый цилиндр или цельный цилиндр выдержать больший вес по сравнению с его собственным весом?

3. Попросите менеджера по материалам каждой группы и помощника собрать два бумажных стаканчика, бобы, картон и набор гирь. Используя лист «Взвешивание» в качестве руководства, попросите учащихся сравнить веса, которые могут выдерживать полый цилиндр (пустая чашка) и твердый цилиндр (чашка, наполненная сушеными бобами). Каждая группа должна завершить свои исследования, вычислив отношение поддерживаемого веса к весу цилиндра для каждого типа цилиндров.

4. Проведите в классе обсуждение результатов учащихся, задав вопрос: Какой цилиндр был самым тяжелым? (цельный) и, Какой цилиндр выдержал наибольший вес? (сплошной). Может ли какой-либо цилиндр выдержать больший вес, чем вы ожидали? Какой цилиндр имел больший вес? (полый). Вы ожидали такого результата?

5. Попросите учащихся подумать, какой тип цилиндра (полый или цельный) может дать лучшую кость.Раздать «Полый или твердый?» студенческий лист. Попросите учащихся записать свои предположения о структуре длинных костей (полых или твердых).

6. Попросите менеджеров по материалам подобрать одну или несколько костей для своих групп. Попросите учащихся осмотреть внешние поверхности костей с лупой и без нее и нарисовать внешний вид кости в отведенном для них месте.

7. Используя небольшую пилу, молоток или ножницы для домашней птицы, разрежьте или сломайте кость (кости) для каждой группы.Студенты заметят, что кости имеют твердые стенки и центральное пространство, заполненное мягким веществом (костным мозгом). Попросите учащихся сравнить структуру кости с полым и твердым цилиндрами. Спросите, На какой цилиндр больше всего похожа кость? Помогите студентам сделать вывод, что относительно полая конструкция настоящих костей позволяет им быть легкими, но при этом достаточно прочными, чтобы выполнять свою работу. Свяжите выводы учащихся со списком ценных характеристик костей, составленным ранее.

---

Расширения

• Бедренная кость (бедренная кость) — самая длинная кость в организме.Его вал круглый в поперечном сечении. Основная большеберцовая кость (большеберцовая кость) — вторая по длине кость в организме. Его вал имеет треугольное сечение. Предложите учащимся изучить относительную силу столбцов разной формы. Предложите учащимся использовать карточки для заметок для создания столбцов с разной формой в поперечном сечении (круглые, квадратные, треугольные и т. Д.). Попросите их подумать об общем количестве материала, необходимом для создания каждого типа колонн, когда они придут к выводу об относительной прочности.

• Чтобы увидеть, как кальций влияет на твердость костей, попросите учащихся замочить очищенные куриные кости в уксусе примерно на одну неделю.Уксус, слабая кислота, вымывает кальций из костей, которые затем становятся слабее и мягче.

Анатомия костей человека | Функция, структура и цель — видео и стенограмма урока

В скелете человека 206 костей.

Какова функция костей?

Итак, какова функция костей? Кости выполняют в теле больше, чем одну функцию.Кости выполняют пять функций в организме. Функции костей включают поддержку, защиту, движение, хранение и производство клеток крови. Назначение костей — помочь организму нормально функционировать.

Опора

Опорная функция придает телу структуру. Если бы не кости в теле, каждый был бы большим комком органов и кожи на полу. Кости — это точка крепления мышц, которая поддерживает их и помогает им выполнять одну из своих движущихся функций.Кости, расположенные в туловище, позволяют телу стоять прямо. Когда человек встает, они несут на себе вес остального тела. Кости тазовой области в теле женщины расширяются, оставляя место для роста и рождения развивающегося плода. Кости грудной полости также удерживают ребра открытыми, позволяя сердцу биться и легким расширяться при вдохе.

Защита

Кости также защищают внутренние органы. Костная ткань тверже и прочнее ткани внутренних органов; это важно, поскольку тело движется, ходит и, к сожалению, попадает в аварии, например, в автомобильные аварии или падения.Хотя кости не всегда предотвращают повреждение внутренних органов, они многое делают, чтобы поглотить удар, который может вызвать повреждение внутренних органов. Если человек бежит и внезапно останавливается, кости предотвращают удары внутренних органов друг о друга и внутренней стенке тела.

Кости тазового пояса помогают защитить репродуктивные органы женского тела. Как только что было сказано, кости грудной полости окружают сердце и легкие, что защищает их. Позвонки окружают спинной мозг, чтобы защитить его от любых ударов.Защита спинного мозга важна, потому что повреждение спинного мозга может вызвать паралич. Череп защищает мозг; это важно, потому что повреждение мозга может привести к нарушению нормального функционирования организма или даже к смерти.

Движение

Следующая функция костей — движение. Движение происходит во взаимодействии с мышечной системой. Это движение представляет собой как крупные движения костей рук и ног, так и движения более мелких костей. Некоторые кости прикрепляются сухожилиями по к каждой кости рук и ног.Сухожилия — это кусочки соединительной ткани, которые соединяют мышцы с костями в местах суставов. Сухожилия достаточно сильны, чтобы мышцы и кости оставались прикрепленными при сокращении мышц тела.

Кости в руках и ногах двигаются каждый раз, когда мышцы сокращаются и расслабляются; это позволяет двигаться в разных направлениях и делать что-то вроде ходьбы, бега или подбирать что-то. Межреберные мышцы , мышцы грудной клетки, сокращаются, поднимая кости грудной клетки каждый раз, когда делается вдох.

Хранение

Кости даже способны выполнять функцию хранения. В костях хранится около 85% фосфора в организме и около 99% кальция. Самое замечательное в том, что эти минералы хранятся в костях, так это то, что организм может получить к ним доступ в любое время, когда они понадобятся организму. Существует определенный диапазон содержания кальция в организме, и его необходимо поддерживать должным образом, чтобы организм функционировал должным образом. И мышцы тела, и нервы зависят от кальция.Кальций необходим для сокращения мышц и для передачи нервных импульсов. Если уровень кальция в крови падает слишком низко, то выделяется паратироидный гормон , в результате чего кость разрушается и высвобождает кальций в кровоток. Если уровень кальция в крови становится слишком высоким, то выделяется кальцитонин и , увеличивая абсорбцию кальция в костях.

Производство клеток крови

Красный костный мозг отвечает за производство клеток крови.

Кости тела также содержат костный мозг внутри.В организме есть два типа костного мозга; красный костный мозг и желтый костный мозг. Красный костный мозг производит клетки крови. Функция этого костного мозга — производить клетки крови всякий раз, когда они нужны организму. Каждый раз, когда наблюдается снижение уровня кислорода в крови в течение любого значительного периода, костный мозг стимулируется для производства большего количества красных кровяных телец. Он также регулярно производит клетки крови, чтобы поддерживать нормальное количество клеток крови в организме. Красный костный мозг производит все три типа клеток крови.

Анатомия костей человека

Поскольку кость представляет собой твердое вещество, в котором нет движущихся клеток, легко думать о костях как о твердых и не содержащих живых клеток — однако это неверно. Костная ткань, как и любая другая ткань в организме, содержит живые клетки. Есть разные типы костной ткани, из которой состоят кости.

Компактная и губчатая кость

Компактная кость — это более твердый внешний слой кости, обнаруженный в длинных костях рук и ног.Компактная кость содержит структуру, известную как остеон, длинный цилиндр, который содержит остеоциты, внутренние костные клетки и каналы , соединяющие их , которые являются структурами, обеспечивающими транспортировку крови. Внутренний канал Гаверса содержит кровеносные сосуды и нервы. Между этими двумя структурами находятся ламели и , слой компактной матрицы.

С другой стороны, Губчатая кость более мягкая и находится внутри костей.Губчатая кость содержит ламели в виде трабекулы. — это место, где находится красный костный мозг.

Структура кости

Кость состоит из различных слоев костной ткани. Самый внешний слой — это надкостница ; это просто тонкая мембрана, покрывающая кость. Следующий слой — компактная кость. Затем идет губчатая кость. Внутри самого внутреннего слоя находится мембрана, известная как эндост . Внутри эндоста есть открытая область, называемая медуллярной полостью .

Кости имеют длинную структуру. Основным стержнем кости является диафиз . Конец костей — эпифиз . На одном конце кости есть эпифизарная линия , и это точка, где происходит рост. На поверхности эпифиза имеется суставной хрящ.

Пять типов костей

Не все кости в теле одинаковы. Различные кости классифицируются в зависимости от их формы. Различные кости перечислены ниже.

• Длинная кость — это кости, длина которых превышает ширину.
• Короткая кость — Кости имеют более квадратную форму, поскольку они примерно одинаковой длины и ширины.
• Сесамовидные кости — Кости, расположенные внутри сухожилий в суставах.
• Плоская кость — Кости плоской структуры.
• Кость неправильной формы — Кости, не имеющие определенной формы и не подпадающие ни под одну другую классификацию.

Три типа костных клеток

Остеокласты — это клетки, разрушающие кость.

В костной ткани есть три типа костных клеток. Первый — это упомянутый ранее остеоцит. Это клетки, полученные из других костных клеток, которые составляют внутреннюю ткань кости. Остеобласты — это клетки, которые вызывают развитие костных клеток. Последний — это остеокласты , которые являются костными клетками, ответственными за разрушение костной ткани.

Строение скелета человека

206 костей тела — это очень много для изучения одновременно. По этой причине обзор скелета разбит на два отдельных скелета. Различают осевой скелет и аппендикулярный скелет.

Осевой каркас

Осевой каркас — это часть каркаса, которая образует ось тела, отсюда и название. Он состоит из костей, которые проходят через центр тела. В эту композицию входят кости черепа, позвонки и грудная полость.Функция осевого скелета — защита головного, спинного мозга и внутренних органов. Кости осевого скелета позволяют перемещаться из стороны в сторону.

Аппендикулярный скелет

Аппендикулярный скелет включает кости придатков, тазового и грудного поясов.

Аппендикулярный скелет — это часть скелета конечностей или придатков тела; это означает, что это кости рук и ног.В него также входят кости тазового и грудного пояса. Функция аппендикулярного скелета состоит в том, чтобы обеспечивать движение тела, сидение, стояние, производство клеток крови и структурную поддержку.

Краткое содержание урока

Человеческий скелет — это структурный каркас тела. Функции — поддержка, защита, движение, производство клеток крови и хранение. Сухожилия — это соединительные ткани, соединяющие кости с мышцами. Межреберные мышцы — это мышцы грудной клетки. паратироидный гормон — это гормон, вызывающий высвобождение кальция из костей, а кальцитонин — гормон, вызывающий поглощение кальция костями. Костный мозг — это вещество, которое создает клетки крови. Компактная кость — это внешний, более твердый костный слой костной ткани. Он содержит канальцев и , которые обеспечивают приток крови к кости. Гаверсов канал содержит кровеносные сосуды и нервы. Ламели — это компактная матрица. губчатая кость — более мягкий внутренний слой кости. Он содержит трабекулу, — ламели.

Кость имеет внешнюю мембрану, называемую надкостницей , и внутреннюю мембрану, называемую эндостом . Полость внутри эндоста — это медуллярная полость . Ствол кости — это диафиз , конец кости — это эпифиз , а эпифизарная линия является местом роста кости. Пять типов костей:

• Длинная кость — длиннее, чем шире
• Короткая кость — одинаковой длины и ширины
• Сесамовидная кость — кости в сухожилиях
• Плоская кость — плоская кость
• Кость неправильной формы — кости неописуемой формы

Три типа клеток: остеоциты, , клетки внутренней кости, остеобласты, , кость, которая создает больше кости, и остеокласты, , кости, разрушающие костную ткань.