Кости: внутри и снаружи - [3]

В 1780-х годах один немецкий минералог выделил кристаллы апатита в отдельный вид – прежде их путали с другими минералами или каждый раз признавали новым видом. За такую обманчивую природу он и дал им название: немецкое apatit происходит от греческого «обман». Это вещество существует в различных формах, а его соединение с ионом воды дает гидроксиапатит.

Полезно знать, особенно если вы следите за своим весом, что кости составляют около пятнадцати процентов массы нашего тела. Примерно треть этого приходится на коллаген, а две трети – на соединения кальция и фосфора. Таким образом, у человека, вес которого составляет восемьдесят килограммов, двенадцать килограммов костей, из них четыре килограмма коллагена и восемь килограммов гидроксиапатита – хватит, чтобы набить чемодан на колесиках (эта информация просто дает представление о костной массе человека, так что не пытайтесь проскользнуть с такой тележкой мимо охраны в аэропорту).

Представьте, что остеобласты плавают в форме для выпечки, наполненной питательным бульоном из воды и кислорода. Следуя своей генетической программе, они будут производить и выделять молекулы коллагена и гидроксиапатита, и – вуаля – кристаллы кальция отложатся в коллагеновой сети: так получается кость. В сущности, остеобласты замуровывают себя в костном коконе и превращаются в остеоциты – зрелые клетки костной ткани, которые поддерживают структуру кости, но не слишком активно участвуют в ее дальнейшем строительстве и разрушении. На усердие остеобластов влияют различные сигнальные молекулы (посредники), в основном гормоны гипофиза, щитовидной железы, половых желез (семенников и яичников). Близлежащие клетки тоже вырабатывают сигнальные молекулы, состоящие из аминокислотных цепочек. Эти вещества называют факторами роста: они могут подстегнуть остеобласты, чтобы те начали ускоренно наращивать кость, и при необходимости даже превращают некоторые другие виды клеток в клетки, формирующие костную ткань.

Когда остеобласты сделали свое дело и окружили себя коконами укрепленного коллагеном гидроксиапатита, питательный бульон в форме для выпечки становится очень твердым. По плотности и прочности он почти такой же, как кирпич-сырец. Но разве можно представить, как наши предки удирают от львов, имея кирпичные кости? А если бы у преследователей кости тоже были из схожего материала? Это была бы скучная погоня, как в замедленном кино. Конечно, эволюция выглядела совсем не так. Чтобы понять, как все происходило на самом деле, надо познакомиться с некоторыми принципами механики. Они объясняют, почему большинство плоских костей (например, череп и грудина) состоят из двух слоев компактной костной ткани, между которыми, как в сэндвиче, расположена губчатая сердцевина, а также почему длинные кости рук и ног цилиндрические, как трубки велосипедной рамы.

Давайте рассмотрим тонкие плоские кости: это кости черепа, который защищает головной мозг, а также грудина и ребра, которые закрывают сердце и легкие от прямых ударов. Внутренняя и внешняя поверхность этих костей твердая, плотная и гладкая, устойчивая к сгибанию и прокалыванию. Внутри эти кости пористые, как замороженная губка или гофрированный картон: вещество там легкое, но жесткое, оно и придает костной ткани прочность.

Теперь обратимся к трубчатым костям. Чтобы оценить изящность их структуры, нарисуйте в своем воображении трехметровую деревянную доску шириной сорок пять сантиметров и толщиной пять сантиметров. Такую доску можно перебросить через пропасть шириной два с половиной метра и благополучно перейти на другую сторону ущелья – возможно, доска будет немного пружинить, но ничего страшного. Чтобы убрать пружинистость, доску можно поставить на бок и перейти на цыпочках по пятисантиметровой грани: мостик получится намного уже, зато гораздо жестче. Размеры и физические свойства доски не изменились, однако во втором случае толщина вертикального слоя дерева составит целых сорок пять сантиметров (а не пять, как в первом примере), что уменьшает прогиб.

Именно поэтому лаги пола (поперечные балки) в деревянных каркасных домах ставят на ребро – иначе пол пружинил бы, как трамплин. Конечно, можно взять очень толстые доски и положить их плашмя, но тогда пол выйдет настолько тяжелым и дорогим, что проект рухнет и в физическом, и в финансовом смысле.

Как инженеры добиваются максимальной эффективности от работы балок и перекладин каркаса? Иначе говоря, как получить максимальную отдачу при минимальном расходе ресурсов и с наименьшими усилиями? Для этого применяют двутавровые балки – если посмотреть на них с торца, они выглядят как заглавная буква I. Мы не будем углубляться в объяснение принципа их действия с формулами и греческими буквами, ограничимся безболезненным обзором. Наибольший вклад в жесткость балки вносят части, расположенные рядом с боковыми гранями: можно убрать часть материала с верхней и нижней поверхности обычной балки прямоугольного сечения, при этом прочность балки сохранится, а ее масса и стоимость снизятся.

Двутавровая балка хорошо сопротивляется изгибающему моменту под действием сил, направленных сверху вниз. Плохо то, что она не слишком устойчива, если силы скручивающие или боковые. Чтобы выдержать и вертикальное, и горизонтальное воздействие, балка должна напоминать нечто вроде тонкого железного креста. Однако если силу приложить под углом (например, два, пять, восемь или одиннадцать часов на условном циферблате), даже такая балка будет недостаточно прочной.