На примере коленного сустава С. Левин столкнулся с наиболее явным противоречием между его фактическим поведением и биомеханическими расчетами. Однако в переходе на следующий уровень понимания С. Левину помогло наблюдение за совершенно другим суставом, а именно лопаткой.

Используя аналогию с тенсегрити-структурой велосипедного колеса, где натянутые спицы удерживают центральную ступицу и внешний обод в идеальном динамическом балансе (рис. 7.6), С. Левин предположил, что лопатка функционирует как ступица такого колеса и фактически является сесамовидной костью, которая передает нагрузку с лопатки к осевому скелету с помощью натяжения мышечных и фасциальных креплений к надкостнице (Levin, 1997; 2006).[8]¹

Так ему удалось отойти от стандартной компрессионной модели. Дополнительным подтверждением правильности гипотезы велосипедного колеса с лопаткой как центром, является тот факт, что грудино-ключичный сустав на самом деле плохо приспособлен к тому, чтобы принимать большую компрессионную нагрузку, потому что передача осевой компрессии на него через плечевой сустав может происходить лишь в положении отведения на 90°.

Если мы придерживаемся классической биомеханической теории, то поскольку синовиальные суставы как механизмы эквивалентны наклонным плоскостям без трения, то во всех других положениях, кроме 90° отведения, как плечевой, так и грудинно-ключичный суставы будут прежде всего зависеть от связочного и мышечного натяжения для поддержания своей стабильности. Однако это, в свою очередь, приведет к появлению огромных нагрузок в этих мягких тканях. Нагрузок настолько больших, что они заведомо превысят прочность связочных и мышечных тканей (особенно при пиковых динамических перепадах и резких градиентах), а также будут очень дорогими с точки зрения количества энергии, необходимого даже для самых простых движений. Сочетание этих факторов делает такую ситуацию эволюционно абсурдной и попросту невозможной, таким образом, возвращая нас к достоинствам гипотезы велосипедного колеса. (Levin, 1997; 2006).

Рис. 7.6. Тенсегрити велосипедного колеса, показывающая, что сжатая ступица и внешний обод плавают в натянутой сети спиц, и подчеркивающая действие некоторых из механизмов ЗКЦ. Лопатку и головку плечевой кости также можно рассматривать как ступицы, которые стабильны и подвешены в глобальной сети натяжения мышц, связок и фасциальных тканей. (Воспроизводится по Scarr & Harrison, 2017; © Elsevier)

При таком подходе если сравнивать головку плечевой кости со ступицей велосипедного колеса, подвешенной к ободу лопатки, ключицы, грудной клетки с помощью цельно-натяжной конфигурации мышц, связок и других соединительных тканей, то плечо сможет одинаково хорошо функционировать при любом положении руки, разумеется, в пределах физиологических ограничений тканей (рис. 7.7).

Используя лопатку и плечевой сустав в качестве примеров, С. Левин получил хорошую модель для объяснения феномена костей, плавающих в океане натяжения, создаваемом мягкими тканями. Разумеется, пример лопатки наиболее чистый, однако эта интерпретация легко адаптируется к другим суставам, в том числе и к коленному, с загадок которого и начался путь С. Левина к биотенсегрити.

В сесамовидной модели головку большеберцовой кости можно уподобить ступице колеса в поперечном бедренном ободе прикреплений мягких тканей, по аналогии с плечом, где нагрузка на сустав в первую очередь определяется силами натяжения, а в случае возникновения сил сжатия они перераспределяются через цельно натяжную сеть вокруг сустава. Отметим, что колесо работает в плоскости, перпендикулярной рассматриваемой кости. Таз также подобен колесу тенсегрити: гребни подвздошных костей, лобок и седалищные кости представляют собой внешний обод, а крестец (ступица) связан с прочными крестцово-подвздошными, крестцово-бугорными и крестцово-остистыми связками (Pardehshenas et al., 2014). Головки бедренных костей также похожи на ступицы в спицах подвздошно-бедренной, лобково-бедренной и седалищно-бедренной связок (Levin, 2007; Flemons, 2007).

Плавающие сесамовидные кости

Очевидно, что все эти описания лишь набросок очень обобщенной модели. В анатомической реальности каждый сустав является перекрестком огромного числа натяжных элементов разного масштаба — от единичных волокон до ансамблей мышц, сухожилий, связок и т. д.

Однако уже эта модель хорошо иллюстрирует принцип плавающей сесамовидной кости, предлагая рассматривать все кости как функционирующие по данному сесамовидно-плавающему принципу.

Рис. 7.7. Акробатическая гимнастика наглядно демонстрирует, что весь вес тела может полностью удерживаться исключительно за счет сил натяжения в плечевых суставах. Гимнастки Элеонора Лашо и Клара Гинар. (Воспроизведено с © Trampoline club du Dauphiné, Википедия)

У позвоночных способность костей к подвижности относительно друг друга является важной особенностью их анатомии, преемственной на протяжении миллионов лет эволюции. Поэтому логично предположить, что все суставы, соединяющие кости друг с другом и обеспечивающие их подвижность, будут функционировать в соответствии с одними и теми же механическими и структурными принципами.

Можно выделить три основных подхода к механо-структурной интерпретации подвижности в костно-суставной системе позвоночных. Первая модель — система рычагов. Это наиболее старая и распространенная модель, однако при более внимательном рассмотрении у этой традиционной интерпретации обнаруживаются серьезные недостатки, в первую очередь связанные с наличием очень больших изгибающих моментов сил и разрушительных концентраций напряжения в динамике (рис. 4.5).

Вторая модель — это система ЗКЦ, в первую очередь четырехзвенных. В этой модели балансом подвижность-стабилизация управляет сама внутренняя сетевая структура посредством комбинации ограничений и связности в распределении сил по плоскостям взаимодействий (Bradley et al., 1988) (рис. 7.6 и 7.8).

Рис. 7.8. Виды сбоку на человеческое колено в сгибании и разгибании, с крестообразными связками и костями, сконфигурированными в виде частей перекрестной четырехзвенной кинематической цепи, которая направляет движение (не в масштабе).

И наконец, третья модель — это конфигурации тенсегрити. В качестве конфигурации тенсегрити все ткани, окружающие сустав, объединяются в функциональную объемную единицу, которая преобразует внешние нагрузки и напряжения во внутренние натяжения, закольцованные и распределенные по всей системе. Более того, тенсегрити-система внутренне способна к нелинейной адаптации. С каждым шагом увеличения внешней нагрузки растет и ее внутреннее сопротивление (рис. 3.4). И тогда жестко-струнный т-икосаэдр становится идеальной моделью для понимания подвижности суставов, поскольку он отображает все основные необходимые для этого характеристики (Levin, 2006).