52. Структурные изменения в костной системе под влиянием физических нагрузок.

Адаптационные изменения в костной системе у спортсменов происходят на разных уровнях её организации: молекулярном, субклеточном, клеточном, тканевом, органном и системном.

1. На молекулярном уровне в костной ткани констатируется повышенный синтез белков, мукополисахаридов, ферментов и других органических веществ, усиливается отложение неорганических веществ, обеспечивающих высокую степень прочности костной ткани. Степень увеличения мукополисахаридов в костной ткани находится в прямой зависимости от интенсивности нагрузки: чем она интенсивнее, тем больше количество мукополисахаридов определяется в костях. Естественно, что этот сложный биологический процесс тесно связан с функцией органоидов клеток костной ткани - митохондрий, рибосом, лизосом, цитоплазматической сети.

2. На тканевом уровне отмечается повышенная остеонизация костной ткани. Е.А. Клебанова (1954) отмечает, что на тренировку костная ткань реагирует в первую очередь образованием новых остеонов, которые являются зрелыми, дифференцированными структурами, обладающими достаточным запасом прочности.

Вместе с этим происходит разрушение старых остеонов и образование большого количества новых костных пластин, значительно более упругих.

Таким образом, все клеточные элементы костной ткани - остеобласты, остеоциты и остеокласты функционально взаимосвязаны в процессе её перестройки.

3. На органном уровне во всех костях скелета наблюдаются следующие адаптационные изменения:

1) изменения химического состава;

2) изменения формы;

3) изменения внутреннего строения;

4) изменения роста и сроков окостенения;

Химический состав костей под влиянием нагрузок несколько сдвигается в сторону увеличения содержания неорганических веществ (кальция, фосфора). Преобладание минерального компонента сопровождается увеличением плотности костной ткани до 1,55 г/см3. Форма костей скелета значительно меняется в связи с повышенной мышечной деятельностью. В местах прикрепления сухожилий мышц образуются гребни, бугры, шероховатости. Они тем больше, чем сильнее развиты мышцы.

Так, например, у штангистов сильно меняется форма лопатки и ключицы. Ключица утолщается, материальный (подмышечный) край лопатки становится неровным, и треугольная форма не нарушается. У пловцов в связи с гипертрофией дельтовидной мышцы увеличивается диафиз плечевой кости, хирургическая шейка сглаживается. У гребцов на байдарке становится слабо выраженной шейка лучевой кости в результате увеличения бугристости, где прикрепляется двуглавая мышца плеча (М.Г. Привес, 1956,1961). У боксёров и штангистов может изменяться даже изгиб диафиза лучевой кости. У гимнастов кости запястья характеризуются угловатой формой, особенно отличаются размерами и своеобразными очертаниями трапециевидная, головчатая и ладьевидная кости. У занимающихся художественной гимнастикой, фехтованием и метанием молота ладьевидная и полулунная кости приобретают округлую форму (К.Л. Ивкина, Е.Л. Супряга, 1969).

У легкоатлетов, спортигровиков, гимнастов, лыжников и прыгунов в воду в области таза отмечаются значительные изменения формы вертлужной впадины (О.Н. Аксёнова, 1969). У метателей диска утолщается дистальный конец диафиза бедра. У бегунов наблюдается сильное утолщение большеберцовой кости в области её бугристости и малоберцовой - в области её головки (К.И. Машкара, 1966). У хоккеистов и борцов увеличивается ширина проксимальных эпифизов костей голени (Н.А. Левина, 1965).

Значительные изменения претерпевают позвонки, форма которых становится четырёхугольной или клиновидной. Четырёхугольная форма наблюдается преимущественно у пловцов. Клиновидная форма с клином, суживающимся кпереди, - у штангистов (М.Г. Привес, 1956, 1961), гребцов и велосипедистов (А.И. Кураченков, О.В. Винтергальтер, 1961), с клином, суживающимся кзади, - у борцов, применяющих сложные приёмы в партере с мостом (Ф.В. Судзиловский, О.П. Хромов, 1966).

Морфологические изменения в строении костной системы спортсменов касаются: а) надкостницы, б) компактного и губчатого вещества и в) костномозговой полости.

Надкостница костей в процессе занятий физическими упражнениями сильно утолщается вследствие повышенной функции её внутреннего, камбиального или костеобразующего слоя. А.И. Кураченков наблюдал у юных спортсменов, как невидимая обычно на рентгенограммах надкостница в определённой фазе становится видимой в виде узкой полосы, прилегающей к компактному слою кости. В дальнейшем окостеневающая часть надкостницы сливается с компактным слоем диафиза, обусловливая его утолщение.

Компактное вещество костей, как правило, у спортсменов утолщается (рис.12). Симметричное утолщение компактного слоя на костях конечностей отмечается у пловцов, бегунов, штангистов, конькобежцев и футболистов. В таких же видах спорта, как теннис и метания, в которых верхние конечности человека подвергаются неодинаковым нагрузкам, наблюдаются асимметричные изменения толщины компактного слоя костей. И у теннисистов, и у метателей преимущественные изменения компактного слоя происходят на правой конечности, но в разных её сегментах.

У фехтовальщиков рабочая гипертрофия, как и у метателей, наблюдается преимущественно на верхней правой конечности в плечевой кости и в области 1-й пястной кости, а на нижней конечности в области бугра пяточной кости (в связи с выпадами и ударами пяткой об опорную поверхность).

Ассиметричные изменения компактного слоя костей отмечаются также у боксёров (Л.П. Астанин,1951; А.И. Кураченков, 1958). Наибольшему воздействию подвергается кисть, особенно головки пястных костей - Й, ЙЙЙ, V. Компактный слой их утолщён, что характеризует очень интенсивную физиологическую перестройку кости.

У легкоатлетов-прыгунов происходит перестройка компактного вещества в костях преимущественно на толчковой ноге. Поперечный размер диафиза бедренной кости толчковой ноги превышает соответствующий размер бедренной кости другой ноги на 1-5 мм (А.И. Кураченков).

У велосипедистов наблюдается равномерное увеличение компактного слоя по всей длине диафиза бедренной кости (Н.В. Крылова, 1964). На костях голени компактный слой развит не однотипно и на различных уровнях имеет неодинаковую толщину. Для велосипедистов, выступающих на треке, характерно увеличение компактного слоя на наружной и внутренней поверхностях большеберцовой кости, особенно в средней её трети (15-16 мм). На малоберцовой кости компактный слой увеличен в основном на задней её поверхности и достигает наибольшей толщины в нижней трети (17-18 мм).

Изучение рентгенограмм костей верхней конечности у стрелков (Е.Н. Петерсов, Ф.В. Судзиловский, О.П. Хромов) показало неравнозначные изменения костей у стрелков из винтовки и стрелков из пистолета. У стрелков из винтовки не обнаружено каких-либо существенных изменений в плечевой кости и в костях кисти, изменения локализуются преимущественно в костях предплечья. В лучевой кости за счёт утолщения компактного слоя увеличены размеры диафиза шейки и дистального эпифиза, в локтевой кости - диафиза и проксимального эпифиза. Причина столь избирательной реакции, по мнению авторов, заключается в особенностях биомеханической работы, при которой кости предплечья у стрелков из винтовки постоянно подвергаются длительному сжатию. Момент вращения силы тяжести предплечья уравновешивается моментом вращения силы мышц-сгибателей и супинаторов предплечья. Постоянное и длительное напряжение этих мышц и вызывает соответствующую перестройку костей.

У стрелков из пистолета основную нагрузку несёт правая верхняя конечность, удерживающая оружие. У них в отличие от стрелков из винтовки наблюдаются изменения во всех звеньях рабочей конечности. На плечевой кости имеется утолщение проксимального эпифиза, анатомической шейки и диафиза (особенно в области дельтовидной бугристости), на локтевой - утолщение диафиза и проксимального эпифиза, в скелете кисти - увеличение толщины компактного слоя в диафизах ЙЙЙ, ЙV и V пястных костей. Пистолет, удерживаемый в вытянутой руке, увеличивает плечо силы тяжести верхней конечности и момент её вращения по отношению к центру плечевого сустава. Это приводит к увеличению моментов вращения дельтовидной и надостной мышц, что вызывает соответствующие изменения проксимального эпифиза плечевой кости. Изменения в локтевой кости можно объяснить тем, что она противостоит действию увеличивающегося момента силы тяжести в отношении локтевого сустава. Рукоятка пистолета оказывает давление в основном на ЙЙЙ, ЙV и V пястные кости.

В настоящее время установлены три вида строения губчатого вещества кости: мелкоячеистое, среднеячеистое и крупноячеистое. У людей, не занимающихся спортом, губчатое вещество эпифизов костей обычно имеет периферическую зону с относительно мелкими ячейками и центральную - с более крупными ячейками.

Высокие спортивные нагрузки, как правило, приводят к увеличению размеров ячеек губчатого вещества. Эпифизарные отделы трубчатых костей приобретают более однородную крупноячеистую структуру уже без разделения губчатого вещества на периферическую и центральную зону (рис. 13).

По наблюдениям А.И. Кураченкова (1958), у штангистов ячейки губчатого вещества эпифизов костей кисти становятся почти квадратными или округлыми, на стопе же мощные костные пластинки располагаются по длиннику костей и имеют едва заметные перпендикулярно идущие перекладины. Крупноячеистая структура губчатого вещества отмечена в костях гимнастов, борцов, тяжелоатлетов и велосипедистов.

Костномозговая полость в костях спортсменов в связи с утолщением компактного слоя уменьшается. На рентгенограммах она иногда имеет вид узкой щели между двумя тенями сильно развитого компактного вещества.

Рост костей непосредственно связан с процессом синостозирования, или окостенения, и продолжается до тех пор, пока не образуются синостозы в области эпифизарных хрящей. Вопросу влияния физических нагрузок на рост костей посвящено значительное число работ. Большинство исследований проводилось на животных. Стимулирующее влияние повышенной физической нагрузки на рост кости в длину констатировали в условиях эксперимента Е.А. Котикова (1927), Е.А. Клебанова (1952, 1954), В.В. Бунак (1954, 1960), Д.А. Жданов (1964) и др. При повышенной физической нагрузке динамического характера (скоростной бег в тредбане) Е.А. Кленова наблюдала у собак некоторую стимуляцию продольного роста трубчатых костей и наряду с этим увеличение их веса и изменение формы.

Обычно нагрузки статического характера вызывают некоторое укорочение костей, но не вследствие снижения интенсивности продольного роста, а вследствие задержки окостенения. Ростовая зона, как правило, не реагирует не на увеличение, ни на уменьшение статической нагрузки, а при определённой дозировке динамической нагрузки размеры сегментов конечностей увеличиваются.

А.И. Кураченков, наблюдавший юных спортсменов, занимающихся лёгкой атлетикой (бег, прыжки, метание), тяжёлой атлетикой, боксом, футболом, фехтованием и конькобежным спортом, не отмечает изменений в процессах созревания скелета и в росте костей в длину. Между тем, К.И. Машкара установила, что физические нагрузки у воспитанников ремесленных училищ приводят к замедлению процессов синостозирования, в результате чего трубчатые кости их растут дольше, чем у учащихся средних школ.

И.Н. Преображенская и А.Н. Габузов наблюдали замедление синостозирования в дистальном отделе костей предплечья у акробатов, пловцов, гребцов и метателей диска, а также увеличение сроков роста костей в длину. В сесамовидных костях кисти, увеличивающих плечо силы мышц, у теннисистов и тяжелоатлетов наблюдается более ранний переход хрящевой ткани в костную (К.И. Машкара, 1966; Е.И. Шидловская, 1972).

Рассматривая костную систему на уровне целостного организма, можно констатировать, что все адаптационные изменения в ней протекают как благоприятные, прогрессивные и носят характер рабочей гипертрофии. Рентгенологически рабочая гипертрофия костей у юных спортсменов отмечается через 6-7 месяцев после начала тренировок, а у спортсменов среднего и старшего возраста через 1-1,5 года. Общие адаптационные изменения происходят во всех костях скелета, а локальные - в наиболее нагруженных его отделах. М.Г. Привес и К.И. Машкара (1961) наблюдали обратное развитие рабочей гипертрофии костей при снятии физической нагрузки.

Таким образом, наблюдаемые изменения в костной системе у спортсменов отражают ту морфофункциональную перестройку, которая обусловлена прогрессивными сдвигами в организации опорно-двигательного аппарата под влиянием специфической спортивной деятельности.