Hệ cơ xương khớp

Hệ cơ xương khớp ở con người gồm hai phần: Phần thụ động gồm bộ xương và các khớp xương, phần vận động gồm hệ cơ, hoạt động dưới sự điều khiển của hệ thần kinh. Bộ xương có 206 chiếc, dài ngắn khác nhau, tạo thành cấu trúc nâng đỡ cơ thể và bảo vệ các nội quan khỏi tổn thương. Hệ cơ gồm khoảng 600 cơ vân, giúp cơ thể cử động. Nhờ hệ cơ xương khớp mà cơ thể có hình dạng nhất định, thực hiện các động tác và biểu lộ cảm xúc. Trải qua thời gian tiến hóa, hệ cơ xương khớp người là phức tạp nhất trong sinh giới.

Bộ khung xương

Bộ khung xương, các loại xương và khớp xương người

Thành phần chính của khung xương

Bộ khung xương người gồm ba phần: xương đầu (gồm xương mặt và xương sọ), xương thân (gồm xương ức, xương sườn và xương sống) và xương chi (xương tay và xương chân). Có 300 xương ở trẻ em và 206 xương ở người trưởng thành, kết hợp ở các khớp xương. Bộ xương còn bao gồm nhiều phần sụn. Xương sọ người gồm 8 xương ghép lại tạo hộp sọ chứa não. Xương mặt nhỏ, xương hàm ít thô hơn động vật do ăn thức ăn chín và không dùng để tự vệ. Cột sống có 33 - 35 đốt sống khớp lại và cong ở 4 chỗ, tạo thành hai chữ S giúp cơ thể đứng thẳng. Xương sườn gắn với cột sống và xương ức tạo lồng ngực bảo vệ tim và phổi. Xương tay và xương chân tương ứng nhưng phân hóa khác nhau phù hợp với chức năng đứng thẳng và lao động.

Các dạng xương

Dựa vào hình dạng cấu tạo, có bốn loại xương:

• Xương dài: cấu trúc ống, có mô xương xốp ở hai đầu, giữa chứa tủy đỏ ở trẻ em và mỡ vàng ở người lớn như xương cánh tay, xương đùi, xương cẳng chân. Đây là loại xương phổ biến nhất.
• Xương ngắn: kích thước ngắn, ví dụ như xương đốt sống, xương cổ chân, cổ tay.
• Xương dẹt:
  hình mỏng, dẹt như xương bả vai, xương cánh chậu, các xương sọ. Đây là loại xương ít gặp nhất.
• Xương không đều: xương có hình dạng phức tạp như xương hàm trên, xương thái dương, xương nền sọ.

Các đốt sống và khớp cố định như ở hộp sọ.

• Khớp di động là loại khớp cử động linh hoạt nhất trong cơ thể người, như khớp xương đùi và xương chày, khớp xương cánh chậu và xương đùi. Bề mặt khớp có một lớp sụn trơn, bóng và đàn hồi, giảm ma sát giữa hai đầu xương. Giữa khớp có một bao đệm chứa dịch nhầy do bao hoạt dịch tiết ra. Bên ngoài khớp di động là những dây chằng dai và đàn hồi, tạo thành bao kín để bọc hai đầu xương lại. Cấu trúc này giúp khớp cử động dễ dàng. Khớp di động phức tạp nhất trong cơ thể người là khớp gối.
• Khớp bán di động là loại khớp mà giữa hai đầu xương thường có một đĩa sụn hạn chế cử động. Khớp bán di động điển hình là khớp đốt sống, và khớp háng. Ở trẻ em, các đĩa sụn rất đàn hồi nên dễ uốn lưng hay xoạc chân. Trái lại, ở người trưởng thành và người già, đĩa sụn dẹp lại làm cột sống khó cử động hơn.
• Khớp cố định: Một số xương trong cơ thể được khớp cố định với nhau như xương hộp sọ và xương mặt. Các xương này khớp với nhau nhờ các răng cưa nhỏ hoặc mép xương lợp lên nhau như vảy cá, không cho phép khớp cử động.
• Trong cơ thể người có 360 khớp xương: khớp sọ: 86; khớp họng: 6; khớp cột sống và xương chậu: 76; khớp tay: 32 (2 tay: 64); khớp chân: 31 (2 chân: 62); khớp ngực: 66

Cấu trúc và tính chất của xương

Cấu trúc và sự phát triển của xương

• Cấu trúc và chức năng của xương: Hai đầu xương là mô xương lồi, xếp theo kiểu đường thẳng, phân tán lực và tạo khoang chứa tủy. Bọc hai đầu xương là lớp sụn giảm ma sát. Đoạn giữa là trục xương, có màng bảo vệ mỏng, mô xương và khoang xương. Màng xương giúp xương phát triển ngang. Mô xương cứng chịu lực, đảm bảo độ vững chắc. Khoang xương chứa tủy, ở trẻ em là tủy đỏ sinh hồng cầu, ở người lớn là tủy vàng do thay bằng mô mỡ.
• Cấu trúc xương ngắn và xương dẹt: Xương ngắn và xương dẹt không có cấu trúc ống, bên ngoài là mô xương cứng, bên trong là mô xương xốp chứa tủy đỏ.

Xương to ra về chiều ngang là do các tế bào màng xương phân chia tạo tế bào mới đẩy tế bào cũ vào trong rồi hóa xương. Xương dài ra nhờ quá trình phân bào ở sụn tăng trưởng. Ở tuổi thiếu niên, xương phát triển nhanh. Đến 18 - 20 tuổi ở nữ hoặc 20 - 25 tuổi ở nam, xương phát triển chậm lại. Ở người trưởng thành, sụn tăng trưởng không còn khả năng hóa xương nên người không cao thêm. Người già, xương bị phân hủy nhanh hơn tạo thành, tỉ lệ cốt giao giảm, xương xốp giòn, dễ gãy và phục hồi chậm.

Thành phần hóa học và tính chất của xương

Xương có hai đặc tính cơ bản: mềm dẻo và bền chắc. Tính mềm dẻo giúp xương chống lại lực cơ học, tính bền chắc giúp nâng đỡ cơ thể. Độ bền của xương người trưởng thành có thể gấp 30 lần loại gạch tốt. Xương được cấu tạo từ hai chất chính: chất hữu cơ gọi là cốt giao và các chất vô cơ là muối calci. Chất khoáng làm xương bền chắc, cốt giao đảm bảo tính mềm dẻo. Tỉ lệ cốt giao thay đổi theo tuổi: trong xương người trưởng thành, cốt giao chiếm 1/3, muối calci chiếm 2/3.

Thí nghiệm: lấy hai xương đùi ếch, một ngâm trong dung dịch a-xit clo-hi-đric (HCl) 10% để hòa tan muối calci, một đốt trên ngọn lửa đèn cồn để cháy hết cốt giao. Sau 10 - 15 phút, đoạn xương ngâm HCl 10% có thể uốn cong, thắt nút vì rất mềm. Đoạn xương đã đốt sẽ vỡ vụn khi bóp nhẹ. Tuy vậy, cả hai đoạn xương vẫn giữ nguyên hình dạng.

Ở trẻ em, cốt giao chiếm tỉ lệ cao hơn muối calci nên xương trẻ em mềm dẻo hơn xương người lớn.

Hệ cơ

Cơ bám vào xương, dưới sự điều khiển của hệ thần kinh, cơ co làm xương cử động nên gọi là cơ xương (cơ vân). Cơ thể người có khoảng 600 cơ tạo thành hệ cơ, chưa kể cơ vận động nội tạng (cơ trơn) và cơ tim. Tùy vị trí và chức năng, cơ có hình dạng khác nhau: hình tấm, hình lông chim, nhiều đầu hay nhiều thân,... Điển hình là bắp cơ (con chuột) ở cánh tay có hình thoi dài.

Cấu tạo và tính chất của cơ

Cấu tạo của bắp cơ và tế bào cơ

Bắp cơ gồm nhiều bó cơ chứa các sợi cơ dài. Hai đầu bắp cơ kéo dài thành gân nối vào xương qua khớp, giữa phình to gọi là bụng cơ. Bắp cơ khỏe thì bụng cơ phình to. Bắp cơ có nhiều mạch máu và dây thần kinh chia thành nhánh nhỏ đến từng sợi cơ để cung cấp dinh dưỡng và kích thích. Mỗi sợi cơ là tế bào cơ dài 10-12 cm, có màng sinh chất, chất tế bào và nhiều nhân hình bầu dục. Trong chất tế bào có nhiều tơ cơ song song, mỗi tơ có các đoạn sáng và sẫm xen kẽ tạo thành vân ngang, là các đĩa sáng và tối. Tơ cơ gồm tơ dày và tơ mảnh xen kẽ. Tơ mảnh trơn, tơ dày có mấu sinh chất. Giới hạn giữa tơ dày và tơ mảnh giữa hai tấm Z là đơn vị cấu trúc của tế bào cơ, gọi là tiết cơ.

Sự co cơ

Co cơ là hiện tượng cơ thể co hoặc giãn dưới tác động của năng lượng sinh hóa, cơ học... trong cơ thể người hoặc động vật. Quá trình này liên quan đến việc tìm hiểu nguyên lý vận động của hệ cơ. Nghiên cứu hiện tượng co cơ giải thích các yếu tố liên quan đến năng lượng vận động và chuyển hóa hóa học, từ đó giải thích các hiện tượng sinh lý trong cơ thể người. Nghiên cứu về co cơ liên quan mật thiết đến sinh lý cơ.

Hiện nay, nhiều nhà khoa học trên thế giới tìm các phương pháp để hiểu cơ cấu phân tử của quá trình co cơ, nền tảng để giải thích các hiện tượng khác. Các nghiên cứu này có thể thực hiện bằng một số cách sau:

• Nghiên cứu trực tiếp trên cơ thể toàn vẹn (in vivo).
• Nghiên cứu một cơ quan bằng cách tách rời cơ quan hoặc bộ phận nhưng giữ nguyên sự nuôi dưỡng qua các mạch máu (in situ).
• Nghiên cứu bằng cách tách rời cơ quan, cơ thể hoặc tế bào ra khỏi cơ thể và nuôi dưỡng trong điều kiện giống môi trường cơ thể động vật hoặc người (in vitro).

Sử dụng ba phương pháp thực nghiệm kết hợp với các dụng cụ đo lường điện tử và quan sát khác nhau, cùng việc thay đổi các tác nhân cơ học, lý học, hóa học, và các điều kiện môi trường, các nhà nghiên cứu có thể quan sát hoạt động chức năng và những thay đổi của cấu trúc cơ trong cơ thể. Từ đó, họ tìm hiểu cơ chế hoạt động, ưu nhược điểm của các tác động và đưa ra các kiến giải hợp lý cho các quá trình thay đổi.