Внимание: Нечупливо
Абонирайте се за Капитал

Всеки петък икономически анализ и коментар на текущите събития от седмицата.
Съдържанието е организирано в три области, за които Капитал е полезен:

K1 Средата (политическа, макроикономическа регулаторна правна)
K2 Бизнесът (пазари, продукти, конкуренция, мениджмънт)
K3 Моят капитал (лични финанси, свободно време, образование, извън бизнеса).

Абонирайте се за Капитал

Внимание: Нечупливо

Внимание: Нечупливо

Защо човешките кости са невероятно здрави

Текст: Ясен ПЕКУНОВ Графика: Моис МОШЕВ

Костите вероятно са най-сложният и мултифункционален материал на планетата ни. Те са едновременно леки, порести и се намират в процес на постоянна подмяна, но въпреки това са невероятно здрави и еластични.

При това положение изобщо не е учудващо, че мнозина изследователи са вдъхновени да разберат взаимовръзката между строежа и свойствата им. Въпросът е какво точно им придава всички тези качества, на какви принципи са изградени и можем ли да ги изкопираме и използваме за създаването на нови авангардни технологии.

Костта изпълнява множество физиологични функции и има сложен строеж. Ако започнем от базовата структура на ниво нанометър (една милиардна от метъра), ще открием първо спирали от колаген (от въпросния протеин е направена и кожата ни), дълги приблизително 70 nm, които се наплитат по три и образуват влакна. Крайно любопитно е, че спиралите първоначално са усукани в срещуположни посоки - както отдавна е известно, това увеличава многократно здравината на едно въже. Между колагеновите спирали, а също и между влакната, които никога не се допират директно, се намира минералният компонент на костите - калциевият апатит. Той е изграден от нещо като тухли с еднакви наноразмери (50х25х4 nm). Как природата успява да контролира с такава прецизност пространствения строеж на минерала все още е загадка. Колагеновите снопове и апатитът не са единствените компоненти на костите. В тях има още около 200 различни неколагенови протеина с полуизяснени функции и вода.

На следващо ниво самата кост се състои от кръгообразни образувания, наречени остеони, изградени от множество колагенови влакна, които променят периодично ориентацията си през точно 30 градуса. В резултат се получава нещо като кръг с канал в средата. Дори с просто око можем да видим, че има два вида кост - плътна и пореста. Първата има много по-малко мехурчета и е разположена като тънък слой върху другата. И така, ако вземем за пример бедрената кост, която спокойно

Издържа един тон, без да се счупи

ние имаме една куха и пореста структура. В канала й е разположен костният мозък, съдържащ стволови клетки, които дават начало на поредица клетъчни линии. Порите на костта са свързани помежду си и в тях циркулират костните клетки и хранителните вещества. Очевидно структурата е рехава и въпреки това изключително здрава. Как се получава това на практика е чудесен въпрос, който засега е без отговор. Само ако знаехме, щяхме да сме способни да синтезираме невероятни материали. Представете си например "ракета кост" - много лека, много здрава, а горивото се намира в корпуса й.

В костта са вложени няколко механизма, които я предпазват от счупване. Най-важният от тях вероятно е безкрайно малкият размер на градивните блокове - минералните "тухли". Те са толкова малки, че буквално е невъзможно да бъдат "ударени". Малкият размер на апатита и празнините между отделните колагенови влакна дават още един невероятен ефект - разсейването на приложената сила. На практика се оказва, че ако убодем кост с игла, напрежение се създава само в точката на убождане. Казано с друго думи, ефектът от един удар е локален и не е способен да разруши голяма част от костта.

Механизмът за получаване на подобно забележително свойство бе разкрит съвсем скоро. Учени от Масачузетския технологичен институт в САЩ публикуват изследване (Nat Mater 2007;6:454), според което разсейването на енергията се дължи на наноразмерна хетерогенност. Това ще рече, че костите ни, погледнати с (добро) нанооко, са по някакъв начин разнородни. Тази разнородност, породена незнайно от какво, има още едно важно следствие - костта

Поема еднакво ефективно удар от всяка посока

За това спомага и различното ориентиране на колагеновите влакна, които създават кръглите остеони. Любопитно е, че костта променя своята ориентация с времето, укрепвайки се при нужда в посоката, от която идва постоянен натиск.

Механична роля имат и неколагеновите протеини. От една страна, те действат като буфер между колагеновите влакна, разсейвайки така механичния стрес. Идеята е подобна на амортисьорите, които омекотяват "удара" на пътя. От друга страна, както разкриват учени от Kалифорнийския университет (Nat Mater 2005;4:612), неколагеновите протеини действат и като лепило и така предпазват костта от скъсване и спомагат за разсейването на енергията. Те придават еластичност, която позволява на костта да се огъва, вместо да се троши.

Все пак костите се чупят, както всички знаем, а още по-лесно се пукат. Всъщност нашите кости в някаква степен винаги са напукани, или с други думи, съдържат микропукнатини. Няма спасение от тази даденост, но пък за сметка на това организмът извършва непрестанен "ремонт". Обаче докато "ремонтната бригада" клетки успее да подмени напуканите части, съществуват поне две причини пукнатините да не нарастват или поне да го правят с малка скорост. Първата са протеините лепило, а втората - цилиндричната форма на остеоните. Пукнатините просто не могат да "напуснат" остеоните, защото костта е склонна да се цепи надлъжно на колагеновите влакна, а не през тях.

Най-голямото преимущество на костите в сравнение с останалите материали е тяхната способност да се регенерират. Два вида клетки, наречени остеокласти и остеобласти, са съответно разрушителите и строителите на новата кост. Чрез прецизно регулиран процес всяка година те подменят около 25% от костната ни маса. И то точно в тези зони, които са напукани или "уморени". Нещо повече, ако в дадена посока има постоянен натиск, клетките го разбират (незнайно как) и така ориентират колагеновите влакна така, че да компенсират този натиск. Любопитно е, че "вечният ремонт" не намалява значително здравината на костите. Любопитно е също, че учените след години интензивни изследвания не знаят как клетките намират безпогрешно частите, нуждаещи се от подмяна. Така че не е учудващо, че досега никой не е успял дори малко да се доближи до синтез на материал, наподобяващ мултифункционалността на костта. Защото последната освен всичко друго е източник или депо за биогенни елементи като калций, има имунна функция, участва в поддържането на физиологичното pH, фабрика е за кръвни клетки и какво ли още не...

Автор: Моис Мошев
Преглед на оригинала

Костите вероятно са най-сложният и мултифункционален материал на планетата ни. Те са едновременно леки, порести и се намират в процес на постоянна подмяна, но въпреки това са невероятно здрави и еластични.

При това положение изобщо не е учудващо, че мнозина изследователи са вдъхновени да разберат взаимовръзката между строежа и свойствата им. Въпросът е какво точно им придава всички тези качества, на какви принципи са изградени и можем ли да ги изкопираме и използваме за създаването на нови авангардни технологии.


Благодарим ви, че четете Капитал!

Вие използвате поверителен режим на интернет браузъра си. За да прочетете статията, трябва да влезете в профила си.
Влезте в профила си
Всеки потребител може да чете до 10 статии месечно без да има абонамент за Капитал.
Вижте абонаментните планове

3 коментара
  • 1
    Avatar :-P
    Longanlon

    От много време не ми харесват статиите в рубриката Наука, но тази е добра и се надявам така да продължи

  • 2
    Avatar :-|
    yow

    добра статия

  • 3
    Avatar :-|
    s-trash-cool

    Не е лошо да знаем повече за нашия организъм! По този начин знаем как да се предпазим, с какво да се храним, и не последно място как да живеем!


Нов коментар

За да публикувате коментари,
трябва да сте регистриран потребител.


Вход

Още от Капитал

Дигитални модели

Дигитални модели

С използването на сайта вие приемате, че използваме „бисквитки" за подобряване на преживяването, персонализиране на съдържанието и рекламите, и анализиране на трафика. Вижте нашата политика за бисквитките и декларацията за поверителност. OK