Кости: внутри и снаружи - Рой Милз

Обувная кожа – еще одно воплощение коллагена. В процессе дубления кожи в чаны добавляют специальные химические вещества, которые повышают число связей между коллагеновыми волокнами коровьих шкур, поэтому кожа приобретает прочность. Что же касается шариков для пейнтбола, капсул с лекарствами, мебельного клея, желатиновых десертов и жевательных мишек, здесь другая история: все это делается из частично разрушенных волокон коллагена, которые получают путем вываривания побочных продуктов производства мяса и кожи. Существует даже поговорка «Отправить лошадь на клеевую фабрику» – так говорят о стареющих животных, поэтому лучше не читайте про производство желатина перед тем, как съесть кусочек зефира.

Коллаген устойчив к растяжению. Этот белок составляет основу сухожилий (они преобразуют мышечные сокращения в движения суставов) и связок (они удерживают суставы в правильном положении). Представьте, что вы встали на цыпочки. Если бы ахилловы сухожилия были чрезмерно эластичными, при сокращении икроножных мышц они растягивались бы как резинка, и пятки оставались бы на земле. Это плохо – вы не смогли бы прыгать. Или представьте, что вы подпираете рукой щеку и начинаете отгибать назад кончики пальцев. Если бы не прочные связки, ногти в конце концов коснулись бы тыльной стороны ладони – не самое приятное зрелище. Бывает, что связки очень растяжимы от природы. Такие «гуттаперчевые» люди, или «люди-змеи», иногда любят хвастаться своими способностями, вызывая у окружающих недоумение.

Кажется, что такое описание коллагена не имеет отношения к делу, ведь он прочный и не растягивается, да и кость, как мы знаем, тоже твердая. Кость сопротивляется сжатию (выражаясь научным языком), поскольку содержит кристаллы кальция, однако эти кристаллы находятся – как вы уже догадались – в сети коллагена. Конструкция напоминает покрытый штукатуркой деревянный каркас стены.

Чтобы в этом убедиться, купите упаковку куриных голеней. С пары куриных ножек снимите мясо, а кости положите на несколько недель в уксус. Мясо приготовьте на ужин, а кости, оставшиеся после трапезы, отправьте на два часа в духовку, разогретую до 120? С. Кости, замоченные в уксусе, станут гибкими, как резина, поскольку уксус растворяет кальций. Кости из духовки окажутся хрупкими и ломкими, как мел, потому что высокая температура разрушает коллагеновые волокна.

Вымоченная в уксусе куриная кость потеряла жесткость, которую ей обеспечивали кристаллы кальция. Остался только гибкий коллагеновый каркас

В книгах по химии написано, что существуют разные виды кристаллов кальция: хлорид кальция (противогололедное средство), цитрат кальция (умягчитель воды и пищевая добавка), карбонат кальция (таблетки от изжоги, мел, кораллы, яичная скорлупа), сульфат кальция (гипс и алебастр) и гидроксид кальция (гашеная известь). Если при соответствующих условиях добавить к гидроксиду кальция фосфорное соединение, получится гидроксиапатит. Возможно, это новое для вас слово. Оно никак не связано ни с гидрой, ни с аппетитом (даже в случае зефира и других желатиновых вкусностей). Гидроксиапатит – это основной кальциевый кристалл костей. Если произнести это слово на вечеринке, можно показаться слегка ненормальным, однако именно благодаря гидроксиапатиту мы способны ходить на двух ногах, так что давайте поговорим об этом минерале.

В 1780-х годах один немецкий минералог выделил кристаллы апатита в отдельный вид – прежде их путали с другими минералами или каждый раз признавали новым видом. За такую обманчивую природу он и дал им название: немецкое apatit происходит от греческого «обман». Это вещество существует в различных формах, а его соединение с ионом воды дает гидроксиапатит.

Полезно знать, особенно если вы следите за своим весом, что кости составляют около пятнадцати процентов массы нашего тела. Примерно треть этого приходится на коллаген, а две трети – на соединения кальция и фосфора. Таким образом, у человека, вес которого составляет восемьдесят килограммов, двенадцать килограммов костей, из них четыре килограмма коллагена и восемь килограммов гидроксиапатита – хватит, чтобы набить чемодан на колесиках (эта информация просто дает представление о костной массе человека, так что не пытайтесь проскользнуть с такой тележкой мимо охраны в аэропорту).

Представьте, что остеобласты плавают в форме для выпечки, наполненной питательным бульоном из воды и кислорода. Следуя своей генетической программе, они будут производить и выделять молекулы коллагена и гидроксиапатита, и – вуаля – кристаллы кальция отложатся в коллагеновой сети: так получается кость. В сущности, остеобласты замуровывают себя в костном коконе и превращаются в остеоциты – зрелые клетки костной ткани, которые поддерживают структуру кости, но не слишком активно участвуют в ее дальнейшем строительстве и разрушении. На усердие остеобластов влияют различные сигнальные молекулы (посредники), в основном гормоны гипофиза, щитовидной железы, половых желез (семенников и яичников). Близлежащие клетки тоже вырабатывают сигнальные молекулы, состоящие из аминокислотных цепочек. Эти вещества называют факторами роста: они могут подстегнуть остеобласты, чтобы те начали ускоренно наращивать кость, и при необходимости даже превращают некоторые другие виды клеток в клетки, формирующие костную ткань.

Когда остеобласты сделали свое дело и окружили себя коконами укрепленного коллагеном гидроксиапатита, питательный бульон в форме для выпечки становится очень твердым. По плотности и прочности он почти такой же, как кирпич-сырец. Но разве можно представить, как наши предки удирают от львов, имея кирпичные кости? А если бы у преследователей кости тоже были из схожего материала? Это была бы скучная погоня, как в замедленном кино. Конечно, эволюция выглядела совсем не так. Чтобы понять, как все происходило на самом деле, надо познакомиться с некоторыми принципами механики. Они объясняют, почему большинство плоских костей (например, череп и грудина) состоят из двух слоев компактной костной ткани, между которыми, как в сэндвиче, расположена губчатая сердцевина, а также почему длинные кости рук и ног цилиндрические, как трубки велосипедной рамы.

Давайте рассмотрим тонкие плоские кости: это кости черепа, который защищает головной мозг, а также грудина и ребра, которые закрывают сердце и легкие от прямых ударов. Внутренняя и внешняя поверхность этих костей твердая, плотная и гладкая, устойчивая к сгибанию и прокалыванию. Внутри эти кости пористые, как замороженная губка или гофрированный картон: вещество там легкое, но жесткое, оно и придает костной ткани прочность.

Теперь обратимся к трубчатым костям. Чтобы оценить изящность их структуры, нарисуйте в своем воображении трехметровую деревянную доску шириной сорок пять сантиметров и толщиной пять сантиметров. Такую доску можно перебросить через пропасть шириной два с половиной метра и благополучно перейти на другую сторону ущелья – возможно, доска будет немного пружинить, но ничего страшного. Чтобы убрать пружинистость, доску можно поставить на бок и перейти на цыпочках по пятисантиметровой грани: мостик получится намного уже, зато гораздо жестче. Размеры и физические свойства доски не изменились, однако во втором случае толщина вертикального слоя дерева составит целых сорок пять сантиметров (а не пять, как в первом примере), что уменьшает прогиб.