Мышцы: двигательная единица, сокращение, рычаги и причины атрофии
Разложим движение на нервный сигнал, работу мышечного волокна и поворот костного рычага. Выясним, почему мышца тянет, а не толкает, и чем атрофия отличается от обычной усталости.
Федеральная программа · углублённый уровень · 9 класс
Опорно-двигательный аппарат
Элементы программы, раскрываемые в этом уроке:
- Мышца как орган и её оболочки
- Мышечные волокна, актин, миозин и АТФ
- Нервно-мышечный контакт и двигательная единица
- Сухожилие, связка и костный рычаг
- Синергисты и антагонисты
- Мимические мышцы и особенности прикрепления
- Основные мышцы головы, шеи, плеча, руки и ноги
- Спинной мозг, мозжечок и кора в управлении движением
- Травмы, атрофия и безопасная первая помощь
Как это устроено
Скелетная мышца — орган, а не просто один пучок белка: волокна объединены оболочками, пронизаны сосудами и нервами, прикрепляются через соединительную ткань. Мышечное волокно содержит миофибриллы, а те — повторяющиеся саркомеры. При активации регулируется взаимодействие актиновых и миозиновых нитей с участием кальция и энергии АТФ. Нити скользят относительно друг друга; не следует представлять, будто отдельная молекула актина укорачивается как пружина.
Двигательный нейрон передаёт сигнал к мышечному волокну через химический нервно-мышечный контакт с ацетилхолином. Вместе с иннервируемыми им волокнами он образует двигательную единицу. Сила целой мышцы регулируется не только силой отдельного «импульса», но и привлечением двигательных единиц, частотой их активности и механическими условиями. Кора больших полушарий участвует в планировании и запуске произвольных действий, спинной мозг содержит важные двигательные сети, а мозжечок помогает согласовывать движения; это не три строго независимых блока.
Мышца при сокращении создаёт тягу. Через сухожилие она тянет кость, которая поворачивается относительно сустава как рычаг; для обратного движения обычно нужны другие мышцы и взаимодействие с внешними силами. Антагонисты действуют в противоположных направлениях в рассматриваемой задаче, но иногда сокращаются вместе для устойчивости. Синергисты помогают одному действию. Мимические мышцы часто имеют прикрепление к коже, поэтому схема «каждая мышца обоими концами прикреплена к двум костям» неверна.
Атрофия означает потерю мышечной массы или объёма и функции; она может быть связана с бездействием, нарушением нервной связи, недостаточным питанием или болезнью. Она не равна кратковременной усталости после нагрузки. Боль, заметная слабость или травма требуют оценки взрослых и медицинского работника: силой «разработать» повреждённую область нельзя. При подозрении на тяжёлую травму движение ограничивают и обращаются за помощью; школьный урок не учит самостоятельно вправлять суставы или подбирать лечение.
Основные мышцы удобнее узнавать по месту и действию, а не просто заучивать списком. На лице круговая мышца глаза смыкает веки; на шее грудино-ключично-сосцевидная участвует в повороте головы; дельтовидная помогает отвести плечо. На руке двуглавая мышца плеча участвует в сгибании локтя, трёхглавая — в разгибании; на ноге четырёхглавая мышца бедра разгибает голень, икроножная помогает встать на носки. Каждое реальное движение совместно создают и стабилизируют несколько мышц, а мимические мышцы часто тянут кожу, не костный рычаг. Эти примеры не охватывают все мышцы тела, но позволяют объяснить, как название связано с расположением и функцией.
Словарь урока
Каждое понятие — с примером
- Скелетная мышца
Орган из поперечно-полосатых мышечных волокон, соединительнотканных оболочек, нервов и сосудов, создающий усилие при активации.
Пример: Двуглавая мышца плеча участвует в сгибании предплечья вместе с другими мышцами.
- Мышечное волокно
Удлинённая многоядерная клетка скелетной мышцы со специализированным сократительным аппаратом из множества миофибрилл.
Пример: Одно мышечное волокно может получать сигнал от окончания двигательного нейрона.
- Миофибрилла
Продольная сократительная структура мышечного волокна, построенная из повторяющихся саркомеров с актиновыми и миозиновыми нитями.
Пример: Под микроскопом регулярность миофибрилл связана с поперечной исчерченностью скелетной мышцы.
- Саркомер
Повторяющийся участок миофибриллы между двумя Z-линиями, в котором взаимодействие актиновых и миозиновых нитей создаёт сокращение.
Пример: При сокращении саркомер обычно укорачивается благодаря скольжению нитей, а не их сокращению как верёвки.
- Актин
Белок, образующий тонкие нити сократительного аппарата мышцы и взаимодействующий с миозином в регулируемом цикле.
Пример: Миозиновые головки связываются с актиновыми нитями при наличии необходимых условий.
- Миозин
Двигательный белок толстых нитей мышцы, использующий энергию АТФ для циклического взаимодействия с актином.
Пример: Работа миозиновых головок способствует взаимному скольжению нитей в саркомере.
- Нервно-мышечный контакт
Специализированный химический синапс между двигательным нейроном и скелетным мышечным волокном, запускающий ответ мышцы.
Пример: Окончание мотонейрона выделяет ацетилхолин, который действует на рецепторы мышечного волокна.
- Двигательная единица
Один двигательный нейрон вместе со всеми мышечными волокнами, которые он иннервирует, а не отдельное волокно само по себе.
Пример: Точные движения пальцев обеспечиваются в том числе двигательными единицами с относительно небольшим числом волокон.
- Сухожилие
Плотная соединительнотканная структура, через которую мышца передаёт усилие к кости или другой ткани при движении.
Пример: Сухожилие двуглавой мышцы помогает передавать тягу мышцы к предплечью.
- Костный рычаг
Кость, поворачивающаяся вокруг сустава под действием мышечной тяги; результат зависит от точек приложения силы и нагрузки.
Пример: Предплечье поворачивается в локтевом суставе, когда мышцы создают соответствующий момент силы.
- Мышцы-антагонисты
Мышцы или группы мышц, выполняющие противоположные по направлению действия в данном суставе при рассматриваемом движении.
Пример: Сгибатели и разгибатели локтя часто описывают как антагонисты, хотя они могут совместно стабилизировать сустав.
- Мышцы-синергисты
Мышцы, совместно способствующие определённому движению или стабилизации в выбранной задаче, не обязательно имеющие одинаковую анатомию.
Пример: Несколько мышц плеча могут вместе участвовать в сгибании локтя при разной ориентации предплечья.
- Атрофия мышцы
Уменьшение объёма и функциональной способности мышечной ткани, которое может возникать при бездействии, болезни или нарушении иннервации.
Пример: После длительной вынужденной неподвижности мышцы могут ослабеть, но конкретную причину оценивает специалист.
- Мышечная усталость
Обратимое снижение способности мышцы или двигательной системы поддерживать заданную работу при нагрузке, зависящее от многих процессов.
Пример: После длительной тренировки точность и сила движения могут временно уменьшаться без атрофии ткани.
- Мимическая мышца
Скелетная мышца лица, волокна которой часто вплетаются в кожу и при сокращении перемещают её, изменяя выражение лица; не всякая такая мышца крепится к двум костям.
Пример: Круговая мышца глаза смыкает веки, а круговая мышца рта участвует в движении губ.
- Грудино-ключично-сосцевидная мышца
Парная поверхностная мышца шеи, соединяющая область грудины и ключицы с сосцевидным отростком черепа и участвующая в повороте и наклоне головы.
Пример: При повороте головы вправо левый и правый участки шеи работают согласованно, а не как один изолированный трос.
- Дельтовидная мышца
Крупная мышца, охватывающая плечевой сустав и участвующая в отведении руки и других движениях плеча в зависимости от работающей части.
Пример: Когда человек поднимает руку в сторону, дельтовидная мышца работает вместе с другими мышцами плечевого пояса.
- Двуглавая мышца плеча
Мышца передней области плеча, участвующая в сгибании предплечья и повороте его ладонью вверх при определённом положении сустава.
Пример: При подъёме предмета с согнутым локтем она действует не одна, а совместно с другими сгибателями.
- Трёхглавая мышца плеча
Мышца задней области плеча, сокращение которой главным образом разгибает предплечье в локтевом суставе.
Пример: При выпрямлении руки после сгибания трёхглавая мышца помогает создать тягу через сухожилие.
- Четырёхглавая мышца бедра
Группа из четырёх мышечных головок на передней стороне бедра, общее сухожильное соединение которых участвует в разгибании голени в колене.
Пример: При вставании со стула четырёхглавая мышца бедра помогает разогнуть коленный сустав.
- Икроножная мышца
Поверхностная мышца задней стороны голени, участвующая в подошвенном сгибании стопы и, из-за прохождения через колено, в движении голени.
Пример: При подъёме на носки икроножная мышца вместе с другими мышцами голени помогает поднять пятку.
Пример по шагам
При сгибании предплечья один школьник говорит: «Мышца толкнула кость вверх, а связка передала усилие». Какие два слова неверны?
- Скелетная мышца при сокращении создаёт тягу, а не активное толкание кости.
- Усилие мышцы к кости передаётся через сухожилие; связка прежде всего стабилизирует соединение костей.
- Предплечье поворачивается вокруг локтевого сустава как рычаг, а для разгибания важны другие мышцы.
Вывод: Для описания движения нужно различать источник силы, путь её передачи и ось поворота.
Практическая работа
Безопасная модель рычага и мышечной тяги
- Соедините две картонные полоски шарниром как модель локтя, закрепите резинку как аналог тяги мышцы и отметьте точку её прикрепления.
- Потяните резинку и посмотрите направление поворота; добавьте вторую резинку для обратного направления и подпишите «антагонисты».
- На рисунке волокна отдельно покажите уровни «мышца — волокно — миофибрилла — саркомер» и объясните, почему картонная резинка не моделирует молекулярный механизм.
Что можно заключить: Механическая модель объясняет рычаг, но не заменяет молекулярную схему сокращения.
Безопасность: Не проверяйте силу травмированной конечности и не выполняйте болезненные движения; работа проводится только на картонной модели.
Практическая работа
Оказание первой помощи при повреждении скелета и мышц: учебный разбор
- Разберите вымышленную ситуацию после падения: боль, деформация или невозможность опоры. Разделите наблюдаемые признаки и диагноз, который школьник ставить не может.
- На манекене или карточках отработайте последовательность: убедиться в безопасности места, позвать взрослых и экстренную помощь при подозрении на серьёзную травму, не заставлять пострадавшего двигать повреждённой частью тела.
- Сравните три учебных случая — возможный ушиб, вывих и перелом — по тому, какие действия допустимы до прибытия специалистов и почему нельзя самостоятельно вправлять сустав или кость.
Что можно заключить: Школьная первая помощь означает своевременный вызов помощи и предотвращение дополнительного повреждения, а не самостоятельную диагностику и вправление.
Безопасность: Тренируйтесь только на манекене и карточках. При реальной травме следуйте указаниям экстренной службы; не накладывайте тугую повязку на здорового одноклассника ради опыта.
Попробуйте сами
Запишите своё решение, затем сравните его с разбором. Развёрнутые ответы автоматически не оцениваются.
Открываем задания…
Сверка содержания
Раздел и элементы содержания сверены с федеральной программой. Текст и учебные схемы созданы для Умблика; схема не передаёт реальные размеры.
- ФРП ООО «Биология», углублённый уровень, 7–9 классы
- ФРП биологии 7–9 классов, углублённый уровень
- NCBI Bookshelf: физиология сокращения скелетной мышцы
- MedlinePlus: причины мышечной атрофии
- OpenStax: мышцы головы и шеи
- OpenStax: мышцы верхней конечности
- OpenStax: мышцы нижней конечности
- Красный Крест: первая помощь при повреждении мышц и костей