Импульс, возникший в нервной клетке (1), достигает мышцы (2), и она начинает сокращаться.
В верхнем круге художники схематически изобразили лишь небольшую часть одного мышечного волокна — миофибриллу, увеличенную с помощью электронного микроскопа в сотни тысяч раз. Здесь нарисованы тонкие нити, состоящие из белка актина (3), к толстые, содержащие белок миозин (4). Тут же расположены митохондрии (5), в которых образуются энергетические запасы клетки, главным образом аденозиктрифосфорная кислота, сокращенно АТФ. Это состояние покоя мышцы.
А вот что происходит в мышце, когда она начинает сокращаться. Как только импульс из нервной системы достигает мышечного волокна, актин соединяется с миозином, в результате образуется сократимый белок — актомиозин (6). Сразу же начинается взаимодействие актомиозина и АТФ. Это сопровождается выделением энергии, необходимой для сокращения мышечных волокон.
В нижнем круге схематически изображены элементы миофибриллы после сокращения мышц; концы тонких нитей, разделенные в верхнем круге, теперь соединились. Мышцы сократились.
Рисунки А. Алексеева, А. Гуревича, С. Зусьнова.
Действительный член Академии медицинских наук СССР, профессор С. Е. СЕВЕРИН, кандидат медицинских наук Л. П. ГРИНИО
Восхищаемся ли мы ловкими движениями спортсмена, выполняющего упражнения на перекладине, или быстрыми» неутомимыми движениями пальцев скрипача, берем ли просто стакан со стола — все эти акты мышечной работы воспринимаются нами как обычные, понятные явления. А между тем мышечная деятельность — необычайно сложный процесс, до конца еще не раскрытый наукой, несмотря на старания физиологов, биохимиков и врачей, изучающих его. Исследования последних лет принесли много новых ценных данных и позволили составить схему мышечной работы, которая включает в себя серию сложнейших биохимических превращений в живом организме.
Известно, что работа мышцы проявляется главным образом в ее сокращении. Одни мышцы приводят в движение кости нашего скелета, а без участия других была бы невозможна деятельность внутренних органов: сердца, легких, кишечника, мочевого пузыря и т. д. Координирует все функции организма, в том числе и сложную работу мышц, нервная система.
Волокна нервных клеток, расположенных в спинном и в головном мозгу, разветвляясь, подходят ко всем мышцам. Причем в зависимости от величины мышцы одно нервное волокно в одних случаях возбуждает 3–6 мышечных волокон, а в других — 120–160.
Сокращение мышцы возникает тогда, когда она получает команду из мозга. Мышечные волокна возбуждаются не только двигательными нервами, но еще особыми, трофическими (от греческого слова «трофе» — питание), которые облегчают передачу возбуждения с нерва на мышцу, а также усвоение мышечной тканью питательных веществ, доставляемых кровью.
Чтобы изучать процесс сокращения мышцы, в лаборатории из целой мышцы животного, например кролика, берут отдельное мышечное волокно. Электрические импульсы, возникающие в момент его сокращения, записывают с помощью специального прибора — осциллографа.
Как оказалось, сокращение наступает не сразу после того, как к мышце по нерву пришел сигнал, а спустя какое-то время — в среднем 0,01 секунды. Мышцы теплокровных животных сокращаются быстрее, чем холоднокровных.
Весь период сокращения мышечного волокна равен примерно 0,04 секунды. А ведь наши движения более длительные по времени. Следовательно, они складываются из серии отдельных мышечных сокращений, непрерывно следующих друг за другом. Такие сокращения, называемые физиологами тетанусом, и лежат в основе мышечной работы человека.
Мы знаем: чтобы совершать простые или сложные мышечные движения, надо обязательно сохранять устойчивое положение тела в пространстве. Это достигается благодаря длительному напряжению — сокращению ряда мышц. Такая работа мышц называется тонической. Каждая мышца, участвующая в мышечной работе или в поддержании равновесия, сокращается и расслабляется в строго определенной последовательности, точно согласуя свою работу с работой всех остальных мышц нашего тела.
Как же устроена мышца, что является ведущим в процессе сокращения и что собой представляет сократительное вещество?
По характеру сокращения все мышцы делятся на две большие группы: мышцы произвольного сокращения, то есть действующие в зависимости от нашей воли, — поперечнополосатые — и непроизвольного сокращения — гладкие, которые выстилают кровеносные сосуды, пищеварительный тракт и другие внутренние органы. Особое место по своему строению и функции занимает такая мышца, как сердце. Она поперечнополосатая и в то же время сокращается непроизвольно.
Поперечнополосатые мышцы названы так потому, что под микроскопом отчетливо видны длинные полоски и пересекающие их поперечные линии. Эти мышцы состоят из вытянутых клеток, длина которых достигает у человека пяти сантиметров, а толщина — пяти микрон. Каждая мышечная клетка, или волокно, заключено в эластичную оболочку, внутри расположены ядро, цитоплазма и миофибриллы — основной сократительный аппарат мышцы.
Только в эпоху создания электронного микроскопа, увеличивающего объект исследования в сотни тысяч раз, стало возможным рассмотреть сократительный аппарат более детально. С помощью ультразвука удалось каждую миофибриллу расщепить на множество нитей. При этом были выделены толстые и тонкие нити. В мышечной клетке они расположены в строго определенном геометрическом порядке: вытянуты вдоль всей клетки так, что тонкие нити находятся между толстыми.
Сами нити построены из белков: тонкие из белка актина, толстые — из миозина. Эти белки интересны тем, что способны соединяться друг с другом, образуя совершенно новый белок — актомиозин, который обладает замечательным свойством — сократимостью.
Работы многих ученых, исследовавших мышечное волокно под электронным микроскопом с применением киносъемки, позволили этап за этапом воспроизвести сложнейший процесс мышечного сокращения. В периоде покоя тонкие нити, закрепленные на вертикальных полосках, располагаются возле толстых нитей так, что едва заходят друг за друга. При сокращении тонкие нити смыкаются, и получается строгое чередование сплошных длинных тонких и коротких толстых нитей.
Ученым удалось с помощью электронного микроскопа обнаружить на толстых нитях небольшие шипики, которыми они во время сокращения скрепляются с тонкими, образуя своего рода механизм зубчатой передачи.
Таким образом, мы установили, что биохимия мышечного сокращения — это не что иное, как соединение двух белков и образование третьего — сократимого белка. Но откуда организм черпает энергию для мышечного сокращения?
Любое движение, происходящее в организме, требует затраты энергии. Основным источником ее служат особые фосфорные соединения, которые образуются в теле человека в результате многих последовательных химических реакций. Из таких соединений наиболее важный — аденозинтрифосфат, сокращенно называемый АТФ. В состав молекулы этого вещества входят три остатка фосфорной кислоты, причем два из них очень непрочно связаны с остальной частью молекулы АТФ. Когда в процессе многоступенчатых химических превращений такие связи разрываются, высвобождается энергия, необходимая организму для самых различных процессов жизнедеятельности.
Влияние АТФ на сокращение мышцы было убедительно показано в опытах известного венгерского ученого Сцент-Дьёрдьи, который многие годы посвятил исследованию мышечного сокращения. Оказалось, что если долго вымачивать мышечную ткань в водном растворе глицерина, то можно почти полностью сохранить ее структуру. Раствор лишь вымывает из мышцы мелкие растворимые частицы. Такая мышца становится неэластичной, теряет способность сокращаться. Если же теперь в раствор, где находится такая измененная мышца, добавить АТФ, мышца опять может сокращаться. Особенно отчетливо заметно влияние АТФ на сокращение актомиозина, искусственно выделенного из мышцы.
По этому поводу Сцент-Дьёрдьи писал: «Получив актомиозин искусственным путем, мы воспроизвели и, стало быть, получили возможность анализировать одно из таинственнейших проявлений жизни». Далее ученый признается, что самым волнующим моментом его научной работы был тот, когда он впервые увидел, как сокращается актомиозин, как из бесформенной массы он превращается в плотный, упругий комочек.
Советские биохимики академик В. А. Энгельгардт и профессор М. Н. Любимова установили, что миозин и актомиозин обладают способностью расщеплять АТФ. В результате этого процесса в организме освобождается энергия, необходимая для сокращения мышц. Так была неопровержимо доказана связь определенных структурных элементов мышцы с ее функцией — возможностью использовать энергию, заключенную в фосфорсодержащих веществах.
В конечном итоге мышечное сокращение представляет собой сложный процесс, который начинается с передачи возбуждения с нерва на мышцу, затем возбуждение распространяется по всей поверхности мышечного волокна, и происходит реакция актомиозина с АТФ. Образуется АТФ главным образом в особых элементах мышечного волокна — митохондриях, которые справедливо называют энергетическими, или силовыми, станциями клетки.
Мы знаем, что после сокращения мышца расслабляется, как бы отдыхает. Что же происходит в этот период? Современные исследования показывают, что расслабление мышцы отнюдь не пассивный процесс, как можно было бы думать. Во время расслабления мышца не только пополняет израсходованные запасы, но и готовится к будущему сокращению. Ученые связывают расслабление мышцы с активностью химического вещества, которое, возможно, связывает актомиозин и не позволяет ему в данный момент расщеплять АТФ.
Сложность изучения мышечного сокращения у животных и особенно у человека связана с тем, что мышечная ткань составляет единое целое с другими системами организма и находится с ними в функциональном единстве. Еще Энгельс в «Диалектике природы» указывал, что «организм есть, несомненно, высшее единство, связывающее в себе в одно целое механику, физику и химию таким образом, что эту тройку нельзя больше разделить. В организме механическое движение вызывается физическим и химическим изменениями, и это относится к питанию, дыханию, выделению и так далее в такой же мере, как и к чисто мускульному движению».
Изучая мышечную деятельность людей, ученые получили ряд интересных данных. Например, у спортсменов систематическая тренировка способствует увеличению массы мышц. Однако разные виды спорта по-разному сказываются на облике спортсменов. Скажем, без труда можно отличить приземистого, плотного штангиста от стройного, худого волейболиста.
К чему же сводится сущность тренировки с точки зрения биохимии? Прежде всего в тренированном организме во время мышечной нагрузки уменьшается амплитуда колебания различных показателей, таких, как уровень сахара в крови, насыщенность ее кислородом, частота дыханий и многие другие. Организм начинает более экономно расходовать с вон внутренние запасы.
Кроме этих общих закономерностей, в организме происходят и специфические изменения, зависящие от характера тренирующих нагрузок. Например, бег на короткие дистанции требует быстрой мобилизации химической энергии, в частности немедленного вступления в реакцию АТФ. Следовательно, именно эта способность организма определит успех спортсмена в данных соревнованиях. Марафонский бег и другие состязания, требующие выносливости, длительной работы, напряжения, связаны с другими биохимическими показателями организма. В данном случае успех зависит от общей величины энергетических запасов организма, в первую очередь богатых энергией фосфорных соединений, быстрого восстановления их во время бега.
Любой вид спорта, систематические занятия физической культурой закаляют организм, делают его более выносливым и, что самое важное, увеличивают в тканях запасы фосфорсодержащих веществ, в первую очередь АТФ.
Большое влияние на работу мышц оказывают железы внутренней секреции. Неузнаваемо меняется внешний облик подростка в период полового созревания. В этот период в результате усиленного действия гормонов он быстро растет, у него увеличивается мышечная масса тела.
Нарушение функций эндокринных желез резко сказывается на внешнем облике и мышечной деятельности человека. Вспомните рассказ И. С. Тургенева «Живые мощи». Хотя писатель и не знал причины страдания Лукерьи, но, обладая необычайной наблюдательностью, он дал почти точное описание заболевания, при котором в первую очередь поражаются надпочечники.
Исследования последних лет показали, что трудоспособность и мышечная активность человека зависят также от качества пищи, содержания в ней витаминов. Наиболее важными для мышечной деятельности оказались витамины группы В, в частности витамин B1. Он способствует проведению нервного импульса, передаче возбуждения с нерва на мышцу, увеличению в организме запасов богатых энергией фосфорных соединений.
Если же вследствие травмы поврежден двигательный нерв, то нарушается непосредственная связь между нервом и мышцей. В результате в ней нарушаются процессы обмена веществ, развивается атрофия.
Понимание всех звеньев сокращения мышцы, биохимических процессов, которые происходят при этом в организме, имеет не только теоретическое значение, но и помогает ученым изыскивать новые эффективные методы лечения и профилактики различных заболеваний мышечной системы, наиболее рационально организовать труд и отдых, занятия здоровых людей физической культурой и спортом.