между суставом и плечом рычага, в области большого вертела, увеличивается угол смещения. У парализованного ребенка бедренная кость не подвергается воздействию этих сил и сохраняет первоначальную прямую форму.
Эта история начинается так: немецкий инженер приходит в Музей естествознания в Кельне, где ему предстоит соорудить грузоподъемный кран. Он замечает, что некоторые участки костей в крыле грифа имеют ту же форму и структуру, что и стрела крана, который он конструирует.
Он пишет небольшую статью об этом удивительном сходстве, и ее читает Джулиус Вольф, хирург и анатом. Он решает разобраться в этом вопросе. Вольф изучает множество разных костей и везде замечает определенный рисунок внутренних перекладин. Несколько лет спустя, в 1892 году, он пишет книгу об этом явлении. Вольф предлагает свою теорию для объяснения удивительного естественного процесса в филуме хордовых, к которому относятся все живые существа, имеющие кости и спинной мозг: кости укрепляются там, где это больше всего необходимо.
Он формулирует принцип, выражающий сущность обнаруженного природного явления. Закон Вольфа гласит, что внутренняя архитектура кости, т. е. ее структура и форма, подстраивается под функциональные нагрузки.
Если нагрузка на какую-то кость возрастает, со временем эта кость трансформируется и становится прочнее, чтобы противостоять нагрузке. Обратный процесс тоже имеет место: точно так же кость адаптируется к уменьшению нагрузки, становясь тоньше и слабее. Многочисленные исследования подтвердили, что давление на кость представляет собой огромную силу, отвечающую за форму и прочность кости.
Силы, укрепляющие кость
Откуда берутся эти нагрузки? Какие силы воздействуют на наши кости? Давайте начнем с нескольких примеров.
• Мышечный стимул. Кости в рабочей руке теннисиста становятся гораздо прочнее костей в противоположной руке, поскольку постоянно подвергаются нагрузке.
• Сила земного притяжения. Астронавты, много времени проводящие в космосе, часто возвращаются на Землю с ослабленными костями, поскольку их мышцы были лишены противника – сила тяжести не оказывала на них никакой нагрузки. Их организм забрал из костей значительную часть находившихся там минералов.
Сила тяжести не единственная и не самая большая сила, действующая на кости. Хотя с ней, безусловно, приходится считаться и она играет важную роль в сохранении прочности и структуры костной ткани, две другие силы по своей природе должны быть еще больше: сила биомеханического рычага и динамическая нагрузка.
Сила биомеханического рычага обусловлена нашей анатомией. Каждый ребенок весом 20 кг знает, что сможет поднять папу весом 90 кг, если тот достаточно близко сядет к поперечине качелей из доски, положенной на бревно. Многие мышцы, такие как четырехглавые, прикреплены близко к суставу, через который они перекидываются, что создает значительное усилие рычага. Например, надостная мышца плеча, расположенная в надостной ямке лопатки, крепится к верхнему краю плечевой кости, создавая нагрузку, в пятьдесят раз превышающую любой вес, поднимаемый выпрямленной рукой. Этот выигрыш в силе способен многократно преумножить силу земного притяжения.
Рисунок 17. Этот рычаг значительно увеличивает силу, воздействующую на кость.
Динамическая нагрузка возникает в том случае, когда одна мышца или группа мышц противостоит действию другой, и при выполнении большинства асан йоги такое происходит неслучайно. Создаваемая сила превышает силу тяжести. Поскольку имеются две группы мышц, оказывающие противоположное воздействие, нагрузка на кость удваивается. Астронавты могли бы сократить потерю костной массы и, следовательно, минимизировать остеопороз, если бы в космосе занимались йогой.
Мышечная деятельность заставляет кости укрепляться гораздо активнее, чем только сила тяжести, тем самым защищая их от чрезмерного истончения. Есть вероятность, что этот эффект проявляется даже в условиях дефицита кальция. Современная наука проследила и подтвердила практически каждый этап этого процесса. Было измерено достаточное количество биохимических маркеров формирования кости до и после различных видов деятельности, подразумевающих динамическую нагрузку. Один из биомеханических маркеров, 3Н-уридин, относительно прост в измерении. Его уровень повысился в шесть раз по сравнению с уровнем в ткани, находившейся в состоянии покоя, после нагрузки на кости как в лаборатории, так и в естественной среде. Длительность нагрузки тоже играет важную роль. В ходе другого исследования понадобилось всего восемь секунд динамической нагрузки, чтобы запустить физиологические процессы, предупреждающие ослабление кости. В йоге позы удерживаются дольше восьми секунд.
Это одна из причин эффективности йоги с точки зрения профилактики уменьшения плотности костей и устранения уже возникших проблем: тело на какое-то время замирает в асане. Здесь нет постоянной смены движений, как в теннисе, велосипедной езде и многих других видах спорта. Благодаря занятиям йогой кость достаточно долго подвергается воздействию стимулов, чтобы они могли запустить процесс укрепления.
Механорецепция – секрет волшебства
Мы видели, как остеобласты окружают себя белком, который сами секретируют, и вскоре становятся практически полностью изолированными от других похожих клеток. На этом этапе они превращаются из овальных остеобластов в звездообразные остеоциты. Одна из их новых функций заключается в поддержании равновесия коллагена и кальция, образующих кость. Другая функция состоит в синтезе нового белкового матрикса, из которого будет сформирована новая костная масса. Ключевая роль в этом процессе принадлежит механорецепторам: крошечным участкам клеточной оболочки, реагирующим на механическое воздействие изменением функции клетки. Пример механорецепторов – волоски на рецепторах уха, превращающие колебания воздуха в звуки, которые мы слышим. Все нервные клетки, сообщающие нам о прикосновениях и передающие ощущения движения, относятся к данной категории. Механорецепторы реагируют на какое-то механическое воздействие, на что-то, что давит или ударяет по мембране (звук или прикосновение), и посылают импульс в мозг. Мы не «чувствуем» ухом колебание, а слышим его. Берясь за поручень в общественном транспорте, мы не знаем, насколько глубоко он вжимается в кожу; мы лишь чувствуем холодный металл и его форму. Движение клеточных мембран происходит на микроскопическом уровне. Вероятно, механорецепторы уже очень давно являются частью клеток. Они обнаруживаются у примитивных бактерий и грибов, а значит, появились у какого-то общего предшественника: разделение этих базовых форм жизни произошло около 3,5 миллиарда лет назад.
Рисунок 18. Фронтальный вид мышц головы (слева) и поясницы (справа), полученный путем МРТ. Мышцы головы крепятся преимущественно к лопаткам, ключицам и грудине. Использование рук для поднятия и удержания веса подвергает затылочные позвонки стимулирующей компрессии. То же касается мышц, связывающих между собой тела и поперечные отростки поясничных позвонков.
Еще один пример механорецепторов – остеоциты. Мы, как правило, не знаем, что наши кости сгибаются или скручиваются, однако многие исследования показывают, что именно так и происходит. Поднимаем мы что-то, несем, идем или наклоняемся – при любой нагрузке кости выгибаются и скручиваются. Когда внешние мембраны остеоцитов растягиваются или сжимаются, что происходит при сгибании или скручивании костей, они быстро реагируют на это воздействие, синтезируя новые белковые отростки, формирующие матрикс новой кости.
Остеоциты выпускают длинные щупальца, значительно увеличивая площадь своей поверхности и количество участков, чувствительных к изменению положения. Даже незначительное изменение формы внешней оболочки клетки меняет ее метаболизм и функцию. Чаще всего электрические разряды, возникающие при движении клеточной мембраны, создают достаточную энергию для изменения информационных молекул на ее внутренней поверхности. Эти молекулы продвигаются к ядру. Там они проникают в мембрану ядра и тем самым влияют на ядерные процессы. Подобно нейромедиаторам, эти крошечные курьеры с внешних границ клетки влияют на самый ее центр. Они изменяют ДНК, РНК и белки, впоследствии вырабатываемые клеткой, определяя, что именно эта клетка выпустит в организм. В случае остеоцитов этот процесс приводит к синтезу костеобразующего белка, который затем выделяется клеткой в костный матрикс, окружая его. Матрикс притягивает к себе кальций и другие минералы, укрепляющие кость, после чего подавляет движение мембран остеоцитов. Это делает кость более жесткой и устойчивой к сгибанию, а следовательно, ослабляет стимуляцию, приводящую к образованию новой костной ткани. Этот процесс является биохимической основой закона Вольфа.
Рисунок 19. Деформация стенки клетки создает электрический разряд, инициирующий химическую реакцию с образованием специфических молекул на внутренней поверхности стенки. Эти молекулярные сигналы расходятся по всей клетке и достигают ее ядра. Ядро реагирует преобразованием новой группы ДНК в РНК, что приводит к синтезу белков. Эти белки выделяются из клетки в костный матрикс, притягивая минералы, укрепляющие кость именно в том месте, куда пришлась нагрузка, сокращая дальнейшую деформацию.
Судя по всему, на хрящевую ткань нагрузка действует точно так же, как на остеоциты. Наверное, это неудивительно – ведь и клетки костей, и клетки хрящей развиваются из одинаковых мезенхимальных стволовых клеток. Как бы то ни было, понимание данного процесса дает более полное представление о преимуществах йоги: можно укреплять кости, заставляя одну мышцу противостоять другой, и обновлять хрящевую ткань при помощи неударных движений с увеличивающейся амплитудой. Таким образом, йога помогает бороться не только с остеопорозом, но и с остеоартритом.
Стоит отметить еще один аспект механорецепции, предугаданный Вольфом: остеоциты на местном уровне реагируют в точности вдоль оси сгибания кости, помогая ей сопротивляться именно такому типу сгибания. По мере формирования устойчивости кости к данной нагрузке она все меньше сгибается и образование новой костной ткани замедляется. Такая петля обратной связи не позволяет костям перерасти и стать бесполезными: они утолщаются в конкретном месте ровно до той степени, которая необходима для минимизации сгибания, – не более того. Этот процесс регулирует создающую и разрушающую функции остеоцитов и остеокластов, допуская минимально необходимое сгибание для стимуляции образования ровно того объема костной ткани, какой был уничтожен остеокластами.
Рисунок 20. Мышцы боковой поверхности шеи и головы способны стимулировать шейные позвонки практически во всех мыслимых направлениях.
По той же причине особенно полезными оказываются упражнения на эксцентричное растяжение, т. е. с преодолением сопротивления (подобные тем, которые так распространены в йоге). Минеральная плотность кости связана с ее общей толщиной. Эксцентричное растяжение стимулирует кость сразу во многих местах, утолщая и упрочняя ее в целом и защищая от разноплановой нагрузки и напряжения. Противодействие продольной оси кости непривычным нагрузкам, что характерно для всех наклонов и растяжек в йоге, стимулирует образование новой костной ткани. По этим причинам она с большой вероятностью должна эффективно защищать от компрессионных переломов, которым особенно подвержены позвонки, в том числе шесть из семи шейных.
Закон Вольфа в профилактике и лечении остеопороза
Практически все эксперты соглашаются с тем, что профилактика остеопороза всегда эффективнее его лечения. Любой достойный профилактический режим учитывает процесс естественного утолщения и последующего ослабления костей, практически идентичный у всех людей (см. с. 23, возрастная таблица МПКТ). Занятия йогой в раннем возрасте – в двадцать, пятнадцать лет и даже раньше – помогут укрепить кости как раз в период наилучших условий. Воздействие присущими йоге нагрузками повысит пиковую костную массу до максимального уровня. Прибавьте пользу смазывания хрящей и связок благодаря растяжению и сжатию в различных позах йоги, а также увеличенную амплитуду движений в результате растяжек, и йога предстанет перед вами весьма привлекательным способом профилактики.
Мы много лет изучаем механизмы воздействия йоги на кости. Сейчас мы
