Od redakcji „Evolution News & Science Today”: Lekarze należą do grupy osób szczególnie zainteresowanych argumentacją na rzecz projektu – być może dlatego że w odróżnieniu od biologów ewolucyjnych lepiej zdają sobie sprawę z wyzwań związanych z utrzymywaniem funkcjonalności złożonego systemu, jakim jest ludzkie ciało. Mając to na uwadze, z przyjemnością przedstawiamy cykl tekstów zatytułowany „The Designed Body” [Zaprojektowane ciało]. Wszystkie artykuły opublikowane w tym cyklu można znaleźć na stronie „Evolution News & Science Today”. Doktor Glicksman praktykuje medycynę paliatywną w hospicjum.
Dzięki nerwom i mięśniom ciało może nie tylko oddychać, ale także przemieszczać się i wywierać wpływ na otoczenie. Jak to możliwe? W ostatnim artykule1 omówiłem zjawisko pobudliwości komórek nerwowych (neuronów) i mięśniowych (miocytów). Polega ono na tym, że po odpowiedniej stymulacji komórka ulega depolaryzacji. Dzięki gwałtownemu napływowi jonów sodu (Na+) do wnętrza komórki – jej błona komórkowa zmienia swój ładunek z ujemnego na dodatni. Wskutek depolaryzacji do wnętrza komórki napływają także duże ilości jonów wapnia (Ca++), co stanowi sygnał do uwolnienia neuroprzekaźnika i zainicjowania skurczu miocytu.
Pod względem organizacji układ nerwowy przypomina operację wojskową. Włókna czuciowe nerwów obwodowych funkcjonują niczym zwiadowcy przekazujący zdobyte informacje do rdzenia kręgowego, tam są one porządkowane i przekazywane dalej do mózgowia. Pełniące funkcję sztabu dowodzenia mózgowie analizuje otrzymane od narządów zmysłów informacje i na tej podstawie podejmuje decyzje i wydaje określone rozkazy. Rozkazy trafiają do rdzenia kręgowego, gdzie są porządkowane i przesyłane włóknami ruchowymi nerwów obwodowych. Następnie dochodzi do skurczu mięśni wywołującego kontrolowany i celowy ruch. Szanse na powodzenie operacji wojskowej zależą od wiedzy na temat własnego wojska i poczynań wroga. Zastanówmy się, w jaki sposób ciało otrzymuje potrzebne mu informacje o środowisku zewnętrznym oraz wewnętrznym i na tej podstawie decyduje o dalszych działaniach.
Wszyscy wiemy, że drogomierz mierzy odległość, a prędkościomierz prędkość. Każde urządzenie jest w gruncie rzeczy przetwornikiem czuciowym, wyposażonym w mechanizm wykrywający zjawiska fizyczne i dostarczający na ich temat użytecznych informacji. Omówiliśmy już szeroki wachlarz przetworników czuciowych ciała zapewniających mu informacje potrzebne do utrzymania równowagi środowiska wewnętrznego2. Istnieją trzy kategorie przetworników czuciowych: chemoreceptory reagujące na substancje chemiczne, takie jak tlen, glukoza i wapń; mechanoreceptory reagujące na ruch i rozciąganie, do których zalicza się monitorujące ciśnienie krwi baroreceptory w ścianach tętnic prowadzących do mózgu; oraz czujniki fizyczne reagujące na zjawiska fizyczne, na przykład wykrywające temperaturę ciała termoreceptory podwzgórza.
Skóra chroni ciało przed zakażeniami i urazami oraz dostarcza mu informacji czuciowych na temat bezpośredniego otoczenia. Jest wyposażona w różne receptory zmysłowe wykrywające lekki dotyk, nacisk, ruch, drgania i temperaturę. W skórze znajdują się również receptory bólowe3, które wykrywają substancje chemiczne powstające w następstwie urazów i na te substancje reagują4. Receptory bólowe są też wrażliwe na zbyt silny nacisk, ruch oraz ekstremalnie niskie lub wysokie temperatury. Odpowiednie pobudzenie któregokolwiek z powyższych receptorów zmysłowych powoduje depolaryzację określonego neuronu i uwolnienie neuroprzekaźnika. Następnie neuroprzekaźnik depolaryzuje pobliski neuron pośredni, tworząc kaskadę przewodzącą informację do mózgowia, najczęściej do okolicy zmysłowej kory mózgowej.
Receptory bólowe i mechanoreceptory znajdują się w stawach, więzadłach, tkankach miękkich głębokich oraz w skórze, która przekazuje ciału informacje zmysłowe o środowisku zewnętrznym. Podobnie jak znajdujące się w większości głównych narządów chemoreceptory, receptory bólowe i mechanoreceptory dodatkowo przekazują ciału informacje o jego środowisku wewnętrznym. Choć w sposób świadomy odbieramy wiele bodźców ze środowiska zewnętrznego i wewnętrznego, pewien rodzaj receptorów, proprioceptory, działa bez udziału naszej świadomości, a bez nich życie byłoby niemożliwe.
Propriocepcja to świadomość pozycji własnych stawów i kinestezja, czyli świadomość poruszania stawami i kończynami za pomocą mięśni. Proprioceptory informują ośrodkowy układ nerwowy o długości mięśni, pozycji stawów i ruchu kończyn. Gdyby ciało nie śledziło ruchu swoich mięśni i stawów czy też pozycji kości w przestrzeni, to w jaki sposób mogłoby kontrolować własne położenie i ruchy? Poza mechanoreceptorami wewnątrz i wokół stawów, pozostałymi głównymi rodzajami proprioceptorów są wrzecionka nerwowo-mięśniowe i narządy ścięgniste Golgiego, przekazujące ciału informacje zmysłowe na temat pozycji stawów i ruchu mięśni5.
Narząd ścięgnisty Golgiego łączy mięsień ze ścięgnem, ponieważ jednym z końców jest przytwierdzony do włókien mięśniowych, a drugim do ścięgna. Ze względu na bezpośrednie połączenie z mięśniem i ścięgnem narząd ścięgnisty Golgiego jest wrażliwy na napięcie wywierane przez kurczący się mięsień.
Wzrost napięcia powoduje zwiększenie ilości impulsów przesyłanych przez ścięgno Golgiego do rdzenia kręgowego, co skutkuje natychmiastowym zahamowaniem odruchu skurczu mięśni i redukcją napięcia. To jedna z ważnych funkcji narządów ścięgnistych Golgiego – zapobieganie urazom mięśni i zerwaniu ścięgien poprzez automatyczne rozluźnianie mięśni w przypadku ich nadmiernego napięcia.
I odwrotnie, spadek napięcia powoduje zmniejszenie ilości impulsów przesyłanych przez narząd Golgiego do rdzenia kręgowego, co skutkuje natychmiastową redukcją odruchu, powodującą nasilenie skurczu mięśni. To jedna z ważnych funkcji narządów ścięgna Golgiego – utrzymywanie określonej postawy ciała w trakcie wykonywania celowych ruchów.
Zmęczenie mięśni, skutkujące osłabioną kurczliwością, może prowadzić do mimowolnych upadków i nieoczekiwanych zmian pozycji. Jednak informacje przesyłane przez narządy ścięgniste Golgiego do rdzenia kręgowego powodują odruchowe nasilenie skurczu słabnących mięśni, co umożliwia utrzymanie pozycji ciała. To oczywiste, że bez narządów ścięgnistych Golgiego, informujących ośrodkowy układ nerwowy o sytuacji na poziomie połączenia mięśni ze ścięgnami, nie bylibyśmy w stanie się poruszać.
Wrzecionka nerwowo-mięśniowe to narządy zmysłów zbudowane ze zmodyfikowanych włókien mięśniowych. Wrzecionka położone są pomiędzy włóknami mięśni szkieletowych i jednocześnie równolegle do nich. Takie ułożenie pozwala na porównanie ich długości. Ponieważ każdy mięsień szkieletowy jest zwykle przytwierdzony do dwóch współtworzących staw kości, jego długość określa kąt i pozycję stawu.
Na przykład gdy staw łokciowy jest całkowicie wyprostowany (tworzy kąt zero stopni), mięsień dwugłowy ramienia jest maksymalnie wydłużony, a mięsień trójgłowy ramienia – maksymalnie skrócony. I odwrotnie, gdy staw łokciowy jest całkowicie zgięty (tworzy kąt około 160 stopni), mięsień dwugłowy ramienia jest maksymalnie skrócony, a mięsień trójgłowy ramienia – maksymalnie wydłużony. Gdy kąt tworzony przez staw łokciowy przyjmuje wartość pośrednią, na przykład 80 stopni, pośrednie są również długości mięśni dwugłowego i trójgłowego ramienia. Ten przykład dobrze przedstawia funkcję wrzecionek nerwowo-mięśniowych, która polega na informowaniu ośrodkowego układu nerwowego o długości każdego z mięśni szkieletowych oraz kątach i pozycjach związanych z nimi stawów.
Gdy włókna mięśni szkieletowych są rozciągnięte, czyli dłuższe od wrzecionek nerwowo-mięśniowych, to wrzecionka w odpowiedzi wysyłają do rdzenia kręgowego więcej impulsów, inicjując odruchowy skurcz mięśniowy. I odwrotnie, jeśli włókna mięśni szkieletowych są skurczone, czyli krótsze od wrzecionek nerwowo-mięśniowych, to wrzecionka w odpowiedzi wysyłają do rdzenia kręgowego mniej impulsów, co wywołuje odruchowy rozkurcz mięśniowy. Mamy tu do czynienia z kolejną ważną funkcją wrzecionek nerwowo-mięśniowych. Podobnie jak narządy ścięgniste Golgiego, pomagają one w utrzymywaniu postawy i pozycji ciała w przestrzeni w trakcie wykonywania celowych ruchów.
Przeanalizowanie sytuacji, kiedy niesiemy ciężar z przodu ciała, pozwala zrozumieć, w jaki sposób wrzecionka nerwowo-mięśniowe wpływają na czynność mięśni, by utrzymywać pozycję ciała. W takim przypadku konieczna jest współpraca mięśnia dwugłowego i trójgłowego ramienia, owocująca ciągłym utrzymywaniem łokcia pod kątem prostym. Podczas wykonywania tej czynności rozciąganie (wydłużanie się) mięśnia dwugłowego ramienia ze względu na jego zmęczenie powoduje jednoczesne skracanie się (skurcz) mięśnia trójgłowego ramienia. Jeśli nie zostaną przeprowadzone czynności korygujące, kąt łokciowy zacznie się zmniejszać, co zwiększy wpływ grawitacji i niesiony ładunek może zostać upuszczony.
Aby temu zapobiec, wrzecionka nerwowo-mięśniowe mięśnia dwugłowego ramienia wykrywają jego wydłużenie i przesyłają do rdzenia kręgowego więcej impulsów, co wywołuje odruchowe wzmocnienie skurczu mięśnia dwugłowego. W ten sposób utrzymywany jest kąt prosty w stawie łokciowym, aby nie doszło do upuszczenia ładunku. Jednocześnie wrzecionka nerwowo-mięśniowe mięśnia trójgłowego wykrywają skracanie się włókien mięśniowych i wysyłają mniej impulsów do rdzenia kręgowego, co skutkuje odruchowym rozluźnieniem mięśnia trójgłowego i utrzymaniem kąta prostego w stawie łokciowym.
Doświadczenie kliniczne z opieki nad diabetykami i innymi pacjentami dotkniętymi wadami nerwów czuciowych wskazuje, że bez któregokolwiek z wymienionych powyżej narządów zmysłów nasi praprzodkowie nie mieliby żadnych szans na przetrwanie. Dlatego należałoby oczekiwać od biologów ewolucyjnych wyjaśnień, w jaki sposób wszystkie te narządy powstały dokładnie tam, gdzie były potrzebne, i żądać odpowiedzi na pytanie, w jaki sposób pośrednie formy życia mogłyby przetrwać zachodzący proces rozwojowy.
W następnym artykule omówimy wymagania, jakie stawia przed ciałem wyjątkowy zmysł wzroku.
Howard Glicksman
Oryginał: The Neuromuscular System: Your Body’s Balancing Act, „Evolution News & Science Today” 2016, July 30 [dostęp 27 X 2023].
Przekład z języka angielskiego: Weronika Kokot
Źródło zdjęcia: Wikipedia
.jpg){kind=link}
Ostatnia aktualizacja strony: 27.10.2023
Przypisy
- Por. H. Glicksman, Jak mięśnie i układ nerwowy utrzymują ciało w ruchu, tłum. W. Kokot, „W Poszukiwaniu Projektu” 2023, 25 października [dostęp 26 X 2023] (przyp. tłum.).
- Równowagę środowiska wewnętrznego organizmu nazywa się homeostazą. Por. K. Wieczorek-Szukała, Homeostaza – co to jest? Zaburzenia homeostazy, „Poradnik Zdrowie”, 25 sierpnia 2021 [dostęp 26 VIII 2023] (przyp. tłum.).
- Receptory bólowe inaczej nazywa się nocyceptorami. Por. K. Radlak, Nocyceptor, „Portal Fizjoterapeuty”, 8 grudnia 2021 [dostęp 26 VIII 2023] (przyp. tłum.).
- W uszkodzonych tkankach dochodzi do uwalniania mediatorów bólu, które aktywują receptory bólowe (przyp. tłum.).
- Por. E. Lazarek, Propriocepcja – jak odczuwasz swoje ciało?, portal „Fizjomate” 2021, 18 stycznia [dostęp 26 VIII 2023] (przyp. tłum.).
Literatura:
1. Glicksman H., Jak mięśnie i układ nerwowy utrzymują ciało w ruchu, tłum. W. Kokot, „W Poszukiwaniu Projektu” 2023, 25 października [dostęp 26 X 2023].
2. Lazarek E., Propriocepcja – jak odczuwasz swoje ciało?, portal „Fizjomate”, 18 stycznia 2021 [dostęp 26 VIII 2023].
3. Radlak K., Nocyceptor, „Portal Fizjoterapeuty”, 8 grudnia 2021 [dostęp 26 VIII 2023].
4. Wieczorek-Szukała K., Homeostaza – co to jest? Zaburzenia homeostazy, „Poradnik Zdrowie”, 25 sierpnia 2021 [dostęp 26 VIII 2023].