Полосатые мышцы

Полосатые мышцы устроены так, что способны быстро и сильно сокращаться. В этом отношении храповые механизмы умножаются и нагромождаются до тех пор, пока они не становятся видимыми вооруженному микроскопом глазу как полосы светлого и темного цвета. Такие мышцы, предназначенные для быстрого сокращения, необходимы для управления костями скелета, и большинство их прикреплены к этим костям именно с такой целью. Это именно те мышцы, которые участвуют в процессе ходьбы, прыжков, хватания, в повороте туловища, кивании, в процессе дыхания и так далее. Поскольку полосатые мышцы так тесно связаны со скелетом, их иногда называют скелетными мышцами.

Если такие мышцы предназначены нести полезную нагрузку, они обязаны быстро реагировать на изменения окружающей среды. Животное должно быть готово к тому, чтобы быстро передвигаться при виде пищи или врага, маневрировать без задержки, чтобы совершить все необходимое. Короче говоря, такие мышцы должны приводиться в действие простым усилием воли. Верно то, что мы можем вызвать сокращение мышц, чтобы причинить вред самим себе, если именно этого и добиваемся. Каждое преднамеренное самоубийство вызвано таким сокращением мышц, которое приводит жизнь к концу, и, хотя самоубийца может передумать в любой момент до наступления смерти, его мышцы не откажутся повиноваться ему, если, конечно, он не изменит своего намерения. По этой причине полосатые мышцы также называются «произвольно сокращающимися» мышцами.

В гладких мышцах волокна сокращаются плохо (достаточно плохо, чтобы быть не полосатыми, но по такому же принципу, что и полосатые). Вследствие медленного сокращения гладких мышц сфера их действия ограничивается органами, где в быстром движении нет жизненной необходимости. Как оказалось, именно из них состоят стенки внутренних органов, таких, как кровеносные сосуды и пищеварительный тракт. Поскольку внутренние органы называются висцеральными, гладкие мышцы иногда называются мышцами внутренних органов, или висцеральными мышцами.

Висцеральные мышцы относительно медленно реагируют на изменения внутри организма и делают это без вмешательства воли. Стенки кровеносных сосудов сжимаются или расширяются под действием определенных химических веществ, появляющихся в крови, или под температурным воздействием, но мы не можем сами намеренно заставить их это делать безо всякого усилия, как мы поднимаем руку или облизываем губы. По этой причине гладкие мышцы также называются непроизвольно сокращающимися мышцами.

Различия на клеточном уровне также имеются. Отдельные клетки гладких мышц напоминают по форме сигару (обычно их называют веретенообразные, но осталось очень мало людей, которые когда-либо имели дело с веретеном или хотя бы точно знают, как оно выглядит) и имеют всего одно ядро. Полосатые мышцы состоят из цилиндрических структур, которые отличаются от обычных клеток тем, что имеют несколько ядер, расположенных то там, то тут, как будто несколько отдельных клеток слились воедино с целью, чтобы общая сила сокращения могла быть больше и лучше скоординирована.

Мышечные волокна сокращаются по принципу «или все, или ничего». Раздражитель (электрический ток, давление при прикосновении, тепло или определенные химические вещества), воздействующий непосредственно на мышцу или на нерв, ведущий к ней, может быть столь слабым, что мышца никак не реагирует. Если раздражитель усиливается, то наступает такой момент, когда возникает ответ волокна, и отвечает это волокно единственным ему известным способом – полным сокращением, на которое оно в данный момент способно. Не существует средних раздражителей, которые вызывали бы среднее сокращение. Либо все, либо ничего.

Кажется, что это утверждение расходится с действительностью, поскольку мышцу нашего плеча, как самую известную всем нам (именно ее напрягают, чтобы «разработать мускулы»), можно заставить сжиматься до любой степени – от малейшего подергивания, которое просто передвигает плечо на ничтожное расстояние, до быстрого и максимального сгибания в локте.

Это не парадокс, но это явление возникает потому, что в действительности мышца состоит из множества волокон, которые до определенной степени обладают способностью к независимому действию. Если всего несколько волокон мышцы подвергаются раздражению, именно эти несколько волокон и будут сокращаться, но чистый эффект этих «всех» на фоне очень многих «ничего» будет выражаться лишь в легком общем сгибании. По мере того как все больше и больше волокон отвечает на раздражитель, общее сокращение постепенно становится больше.

Ответ волокна полосатой мышцы на раздражение быстр и краток, он длится только долю секунды, в некоторых случаях всего ¹/₄₀ секунды. За этим следует быстрое расслабление. Единичный краткий раздражитель подобного рода называется судорога или конвульсия и обычно не возникает в организме. Как правило, происходит медленное сокращение всей мышцы, или если и происходит ее непрерывное сокращение на протяжении какого-то приемлемого периода времени, то оно поддерживается различными волокнами, включающимися в конвульсии по очереди. Ни одно волокно не может сокращаться долго, но мышца как единое целое способна сокращаться довольно продолжительное время. Однако можно вызвать и единичную судорогу в мышце тела. Наилучший пример – резкий удар под колено, который вызывает знакомый ответ в виде «коленного рефлекса».

Имеется возможность возбудить отдельное волокно так, что оно будет отвечать рядом судорожных подергиваний. Если раздражители часто следуют друг за другом, каждая последующая судорога будет наслаиваться на предыдущую. То есть после одной судороги у мышцы не будет времени на то, чтобы полностью расслабиться до того, как возникнет новая. Вторая судорога, начинающаяся в состоянии большего напряжения, достигнет большей силы, а третья судорога, спешащая следом за второй, будет еще сильнее. К тому времени, как скорость раздражения достигнет 50 импульсов в секунду, волокно будет находиться в состоянии непрерывного стойкого сокращения. Эта разновидность судорожных состояний называется тетания (от греческого слова «растянутый» – несмотря на то, что мышца скорее сокращается, чем растягивается).

Тетания не возникает в мышцах хорошо функционирующего организма, но организм не всегда хорошо функционирует. Даже те способности, которые подчиняются нашей воле, могут выйти из-под контроля. Наше тело – это химический механизм, и он остается послушным нам только тогда, когда его химия в порядке. Например, правильная передача нервного импульса к мышце зависит от надлежащей концентрации ионов определенных металлов в крови. Одни из них – ионы кальция. Если по какой-то причине концентрация ионов кальция в крови падает ниже определенного минимального уровня, нерв начинает передавать быстрые импульсы, и мышцы отвечают тем, что входят в состояние тетании. Если такое состояние не облегчится, последует смерть.

Концентрация ионов кальция в крови хорошо контролируется организмом и не склонна к снижению. Гораздо чаще опасность угрожает извне. Существуют бактерии, называемые Clostridium tetani (по-гречески «веретенообразные»), которые широко распространены и могут попасть в организм через любую рану. Они выделяют токсин (все ядовитое можно назвать «токсин» (от греческого слова «стрела») из-за старинного обычая отравлять копчики стрел), который, в свою очередь, вызывает тетанию мышц обычно со смертельным исходом. Болезнь называется столбняк или, наглядно и довольно отталкивающе, тризм (спазм жевательных мышц), потому что самыми первыми поражаются мышцы челюстей, которые сокращаются и как бы «захлопывают рот на замок».

Столбняк когда-то представлял собой одну из наиболее смертоносных опасностей, сопровождающих раны, на которые в противном случае никто не обратил бы внимания. К счастью, оказалось возможным обработать столбнячный токсин химическим способом так, что он слегка видоизменился и стал вырабатывать анатоксин, или токсоид (обезвреженный бактериальный токсин). Этот токсоид не будет вызывать столбняк, а подтолкнет организм к выработке веществ (антител), которые нейтрализуют не только молекулы токсоида, но и любые молекулы самого токсина, которые попадают в организм. Таким образом, несколько инъекций столбнячного анатоксина, сделанных с определенным промежутком времени, вызовут иммунитет к болезни. Во время Второй мировой войны американским солдатам постоянно делали уколы для того, чтобы у них появился иммунитет к столбняку и другим болезням тоже, и хотя эта процедура была предметом многочисленных препирательств со стороны жертв иглы, по в конечном итоге столбняк исчез. Это стоило укола!

Симптомы похожие на симптомы столбняка и с таким же фатальным исходом вызывает препарат под названием стрихнин (название растения, из которого его получают, по-гречески называется «смертоносный паслен»). Неизвестно, каким именно образом столбнячный токсин или стрихнин вызывают такой эффект.

Мышцы также становятся негибкими и затвердевают, спустя 12–36 часов после смерти, это состояние называется rigor mortis, или трупное окоченение, ставшее известным благодаря детективам с убийствами (которые также внесли свою лепту в ознакомление широкой публики со стрихнином). Трупное окоченение возникает не из-за тетании, а из-за преципитации (осаждения) обычно растворимых белков в тканях мышц. Эффект очень сходен с процессом, который мы наблюдаем при варке яиц. Как только начинается разложение, трупное окоченение исчезает.

Цена, которую платят скелетные мышцы за свой дар скорости и силы, – усталость. Химические изменения, вызываемые нервной стимуляцией мышц, неизбежно истощают относительно небольшой запас в мышечных клетках веществ, высвобождающих энергию. Каким-то образом эти вещества должны быстро восполняться по мере потребления, и это обычно делается посредством других химических реакций, связанных с молекулами кислорода, приносимыми к мышечным клеткам кровотоком, который, в свою очередь, собирает эти молекулы в легких.

Висцеральные мышцы, работая медленно и в ответ на регулярные изменения во внутреннем окружении, поддерживают темп, соответствующий своим запасам кислорода. Они все время поддерживают вещества, выделяющие энергию, на необходимом уровне и не подвержены усталости.

Однако скелетные мышцы подвергаются интенсивной активности, превышающей нормальную, довольно продолжительное время. Тогда может показаться, что необходимо проследить, чтобы подача крови была больше все время, «просто на всякий случай», и все-таки было бы неэффективно предназначать мышцы для непрерывной работы на уровне выкапывания траншеи, когда большая часть жизненной активности значительно менее интенсивна. И все-таки иногда возникает необходимость выкопать канаву, нарубить дров или бежать изо всех сил, чтобы спастись от опасности. И если уж на то пошло, иногда хочется сыграть несколько сетов в теннис. В таких случаях организм может адаптироваться к большим потребностям в кислороде. Тяжелая работа или интенсивная игра вызывают увеличение как скорости, так и глубины дыхания (мы задыхаемся), а также усиление сердцебиения (сердце колотится) и способность кровеносных сосудов подпитывать мышцы (мы краснеем). И все-таки жизнь может зависеть от того, найдется ли путь, хотя бы временный, позволяющий обойти все то, что делают для организма легкие, сердце и кровь.

Мышцы добиваются этого, получая запас энергии (конечно, ограниченный запас) за счет химических изменений, не связанных с кислородом. В процессе этих химических реакций выделяется сложное вещество, известное как молочная кислота. Эта увертка, дающая мышце дополнительный рывок, возможно сохраняющий жизнь, тоже имеет свою цену. По мере того как молочная кислота накапливается, мышце становится все труднее сокращаться, и мы испытываем ощущение усталости. Волей-неволей замедляем движения и в конечном счете, даже если на карту поставлена жизнь, вынуждены остановиться в крайнем изнеможении.

Когда утомительная работа прекращается, мы не можем полностью прийти в себя до тех пор, пока молочная кислота не будет удалена из мышцы. Это требует кислорода – всего кислорода, который был бы использован, если бы общее потраченное усилие оказалось достаточно медленным для привычной организму скорости подачи кислорода. Мы как бы взяли кислород в долг, который теперь нужно отдавать. Это делается с помощью обеспечения мышцы кислородом с самой большой скоростью до тех пор, пока молочная кислота частично не сгорит, а частично не перестроится в изначальные вещества, вырабатывающие энергию. По этой причине мы продолжаем тяжело дышать, краснеть, а наше сердце сильно бьется довольно долго, после того как мы прервали свою деятельность и свалились от усталости на землю или в кресло.

Как раз потому, что полосатые мышцы способны выполнять более напряженную и более интенсивную работу, чем мышцы внутренних органов, они подвержены усталости, но не в равной степени. Те мышцы, что предназначаются для особенно быстрого и требующего напряжения сокращения, гораздо быстрее утомляются, чем те, которые для этого не предназначены. В общем, особенно быстро сокращающиеся и особенно быстро утомляющиеся мышцы те, которые светлее цветом, чем более медленные и более выносливые. Такое разделение наиболее нам заметно, когда мы едим курицу или индейку. Грудные мышцы, предназначенные для управления крыльями, а следовательно, для тяжелой работы, – это так называемое белое мясо. Мышцы лап, предназначенные для менее интенсивной работы на протяжении более продолжительного периода времени, представляют собой темное мясо.

У человека тоже есть более темные и более светлые мышечные волокна. Когда человек стоит, большие мышцы спины постоянно поддерживают его в этом состоянии, чтобы он не потерял равновесия. (Такое положение не слишком устойчиво, и, когда человек, например, слегка пьян, так что координация мышц его подводит, ему становится совсем легко упасть.) Эти мышцы спины относятся к разновидности темных, медленно устающих мышц, и даже если в конце концов мы устаем стоять, скажем, то устаем копать гораздо быстрее, ведь в этом случае вступают в игру быстро устающие мышцы руки.

Существует продолжительная адаптация к интенсивной работе мышц, которая предназначена для того, чтобы снизить эффект усталости. Сама мышца под действием продолжающейся долгое время работы в напряженном темпе (либо из-за необходимости физического труда, либо из каприза заниматься физическими упражнениями) увеличивается в размере. Это называется гипертрофия (по-гречески «разрастание»). У лесоруба или спортсмена мышцы больше, чем у продавца или конторского служащего, и эти большие мышцы могут сохранять больший запас веществ, выделяющих энергию, и обеспечить больше места для молочной кислоты. Легкие большего объема и сердце, перекачивающее кровь более интенсивно, снабжают большие мышцы дополнительным количеством кислорода, в результате чего появляется возможность прилагать большую силу на протяжении более продолжительного времени с меньшей усталостью.

Хотя из-за недостатка физической нагрузки мышцы относительно слабые и маленькие, при обычных условиях нет опасности, что мышца потеряет свою способность функционировать на приемлемом, однако соответствующем сидячему образу жизни человека уровне. Поэтому нормальная мышца постоянно подвержена небольшим сокращениям, даже когда кажется, что тело находится в расслабленном состоянии. Это в некотором смысле означает, что мы постоянно упражняемся, поддерживаем мышечный тонус, то есть готовность мышц человека к немедленному сокращению. Мышцы начинают, так сказать, с фальстарта. Люди в состоянии нервного возбуждения обычно имеют более напряженный мышечный тонус, им требуется меньший стимул для того, чтобы привести мышцы в действие. По этой причине они напряжены и «нервны». Тем не менее принцип остается ценным, даже если с ним можно «переусердствовать».

Во время сна мышечный тонус снижается до минимального уровня, и мышцы могут пребывать в состоянии поистине полной релаксации (расслабления), чего не могут испытывать во время бодрствования. Такая «навязанная» релаксация мышц, несомненно, является одной из жизненно важных функций сна. И это одна из причин, почему сон не только приятен, но и гораздо больше необходим, чем пища. (Бессонница – гораздо худшая пытка, чем голод, и человек умрет от отсутствия сна быстрее, чем от отсутствия пищи.)

Если мышечный тонус отсутствует постоянно, как при перерезании нерва, который ведет к мышце, тогда мышца действительно чахнет. Она подвергается атрофии (что по-гречески значит «нет роста»). Если разрушающая нервы болезнь, такая, как полиомиелит, парализует ноги, мышцы ног сохнут, несмотря на то что остальное тело остается сильным и хорошо развитым. Висцеральные мышцы тогда сохраняют тонус и, следовательно, полезность, даже без нервной стимуляции, так что они не поражаются полиомиелитом. Самая большая опасность этой болезни состоит в том, что происходит паралич мышц, которые двигают грудную клетку вверх и вниз. Эти мышцы полосатые, и они обеспечивают возможность дыхания. Когда они парализованы, становится необходимым использование «искусственного легкого»; когда больной подсоединен к аппарату, изменения давления воздуха будут выполнять ту же функцию, что и грудные мышцы тех, кого не постигло такое несчастье.