Материал: В.П.Олейник ОВФПсБО учебное пособие

поле – это физическое явление, характеризуемое распределением температуры в веществе, действие которого на физические объекты определяется механизмами теплопередачи. Температура – это физическая величина, характеризующая степень нагретости вещества. На микроскопическом уровне абсолютную температуру вещества определяет энергия хаотического движения молекул и атомов в жидкости и газе, в твердом веществе – энергия колебаний кристаллической решетки, а в полимерах – энергия подвижности макромолекул. Поскольку в первом разделе уже были затронуты вопросы термодинамики живых объектов, остановимся на физических механизмах теплообмена с окружающей средой. По сравнительному критерию «температура тела – температура окружающей среды» все живые существа делятся на два вида. Пойкилотермные (холоднокровные) животные – это организмы с непостоянной температурой тела, которая близка к температуре окружающей среды (все виды простейших, беспозвоночные, рыбы, земноводные, пресмыкающиеся). Гомойотермные (теплокровные) животные – это организмы с относительно постоянной температурой тела (птицы, животные, млекопитающие, человек). В гомойотермном организме условно различают две температурные зоны – оболочку и ядро. Оболочку составляют поверхностные структуры (кожа, соединительная ткань), ядро – кровь, внутренние органы и системы.

Температура ядра выше, чем оболочки, и относительно стабильна, температура оболочки ниже температуры ядра и отличается в различных участках оболочки.

Тепловое поле живого организма определяется процессами теплопродукции и теплообмена со средой обитания (рис. 3.2).

Рис. 3.2. Схема формирования теплового поля биообъекта

55

При преобладании процессов теплопродукции над процессами теплоотдачи происходит перегревание организма (гипертермия), в противном случае – охлаждение организма (гипотермия). Если в процессе охлаждения температура биоструктур становится ниже предельной гипотермической, то такое их состояние относят к криотермии. В гомойотермных организмах особенно сильно выражен механизм гомеостаза теплового поля ядра (рис. 3.3).

Гипертермия

Рис. 3.3. Терморегуляция для гомойотермных организмов

Температурные границы жизни организмов определяются в основном жизнеспособностью белковых и клеточных структур. К действию высоких температур особенно чувствительны белковые структуры. Для подавляющего большинства земных организмов верхняя температурная граница жизни составляет 60…70 ºС. При этих температурах белки свертываются и организм гибнет. Есть исключения: водоросли в горячих озерах обитают при 90 ºС, а некоторые микроорганизмы при повышенном атмосферном давлении способны жить при температурах ~150 ºС. Предельно возможной температурой белковой жизни считается значение не более 200 ºС.

Действие низких температур приводит к кристаллизации воды и разрушению клеточных мембран при ее расширении. Однако приспособляемость некоторых форм жизни к низким температурам исключительна. Известно, что микроорганизмы в виде спор, цист, а некоторые

ив активном состоянии переносят температуры ~3…4 К.

Вкачестве лечебных методов используется воздействие тепловых полей на человека. Пиротерпия – метод лечения с помощью создания искусственной гипертермии. Пусковым механизмом реакции организма на гипертермию является раздражение кожных и сосудистых терморецепторов с последующей ответной реакцией системы

56

терморегуляции. Гипотермия искусственная – охлаждение тела пациента в целях снижения метаболических процессов и повышения устойчивости организма к гипоксии (кислородному голоданию) и травмам. Криохирургия – отторжение патологических тканей после криотермической обработки.

Естественные тепловые поля в биосфере в основном образуются вследствие поглощения глобальными структурами Земли электромагнитного излучения Солнца. Искусственные тепловые поля являются результатом технической деятельности человека. Формирование рациобиосферы приводит к локальным изменениям природных тепловых полей.

3.3. Биологические объекты в гравитационном поле

Гравитационное поле (поле сил тяготения) – это форма взаимодействия тел, обладающих массой. Векторной характеристикой гравитационного поля в пределах биосферы Земли является его напряженность g = Р/m, где m – масса объекта, P = F + Fц – сила тяжести, действующая на объект, которая является суммой векторов силы тяготения и центробежной силы (рис. 3.4). F = f·(m ·M/R2) – сила тяготения, где f – гравитационная постоянная, M – масса Земли, R – радиус Земли (точнее, расстояние от объекта биосферы до центра Земли). Центробежная сила Fц =m·ω2·Rcosφ, где ω – угловая скорость вращения Земли.

ω

Fц

F

Плоскость φ

экватора

R Р

Ось вращения Земли

Рис. 3.4. Структура сил тяжести в биосфере

В большинстве исследований оперируют не термином напряженности гравитационного поля, а понятием ускорения свободного падения. Строго говоря, g = g(φ,h), где h – высота расположения объекта над поверхностью Земли. Однако если h<<R, то в расчетах используют округленное значение g = 9,81 м/с2.

57

Эволюция биологических объектов происходила непосредственно в поле сил тяжести. Это определило строение, механизмы передвижения, способы ориентации живых организмов. У человека и других высших животных возник такой орган, как вестибулярный аппарат – элемент нейродинамической системы человека, осуществляющий восприятие и анализ информации о положении и движении тела в гравитационном поле Земли. Он расположен во внутреннем ухе и состоит из трех взаимно перпендикулярных полукружных каналов. На внутренней поверхности полукружных каналов находятся группы клеток, образующие рецепторы гравитации. Полости этих каналов заполнены студенистой жидкостью – эндолимфой, которая выполняет функцию упругой среды. Укачивание – патологическое воздействие на вестибулярный аппарат человека активных и пассивных перемещений тела в поле гравитационных сил.

В обычных условиях на биообъект действуют сила тяжести и сила реакции опоры N. При отсутствии ускорения эти силы равны и противоположно направлены. Такое состояние, как правило, естественно для малоподвижных объектов. При ускоренном движении системы «объект – опора» могут возникнуть особые состояния, называемые перегрузками и невесомостью.

Перегрузка показывает, во сколько раз сила, вызывающая ускорение или торможение движения тела, а следовательно, и сила реакции опоры больше силы тяжести. Перегрузка оценивается коэффициентом η = N/(mg). По продолжительности действия на организм перегрузки подразделяют на продолжительные (tn>1с) и кратковременные (tn<1с). При длительных перегрузках основным негативным моментом является кислородное голодание (гипоксия), которая возникает вследствие местного или системного нарушения кровообращения. Изменяется также взаимное давление внутренних органов, возникает их деформация. Поэтому человек способен выдерживать лишь ограниченные перегрузки (η ≈ 4 сидя и до η ≈ 14 лежа под некоторым углом на спине).

Невесомость – состояние, при котором отсутствует сила реакции опоры (N = 0), а следовательно, и деформации биоструктур. Для биологических объектов невесомость – необычное состояние, хотя довольно часто встречаются кратковременные периоды частичной невесомости: прыжки, качели, начало движения лифта и т. п. При длительной невесомости (космические полеты) возникает общая детренированность, уменьшается мышечная масса, происходит деминерализация костной ткани. Поэтому космонавтам в условиях невесомости приходится проводить специальные тренировочные физические упражнения, носить особые костюмы, которые, затрудняя движение, позволяют догружать работу мышц.

58

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

Большая медицинская энциклопедия (БМЭ) : В 36 т. – М.: Сов. энциклопедия, 1975 – 1978.

Волькенштейн М.В. Физика и биология. – М.: Наука, 1980. Давыдов Б.И., Тихончук В.С., Антипов В.В. Биологическое дейст-

вие, нормирование и защита от электромагнитных излучений. – М.: Энергоатомиздат, 1984.

Думанский Ю.Д., Сердюк А.М., Лось И.П. Влияние электромагнитных полей радиочастот на человека. – К.: Здоров'я, 1975.

Зигель Ф.Ю. Жизнь в космосе. – Минск: Наука и техника, 1966. Лавников А.А. Основы авиационной и космической медицины. –

М.: ДОСААФ, 1975.

Манойлов В.Е. Электричество и человек. – Л.: Энергоиздат,1988. Олейник В.П. Терапевтические аппараты и системы: Учеб. посо-

бие. – Х.: Нац. аэрокосм. ун-т “Харьк. авиац. ин-т”, 2002.

Олейник В.П., Кулиш С.Н. Аппаратные методы исследований в биологии и медицине: Учеб. пособие. – Х.: Нац. аэрокосм. ун-т “Харьк.

авиац. ин-т”, 2004.

Ремизов А.Н. Медицинская и биологическая физика.- М.: Высш.

шк., 1987.

Сапин М.Р., Билич Г.Л. Анатомия человека. – М.: Высш. шк., 1989.

Стадницкий Г.В., Родионов А.И. Экология. – М.: Высш. шк., 1988. Тиманюк В.А., Животова Е.Н. Биофизика: Учебник. – 2-е изд.

– К.: ИД «Профессионал», 2004.

Физика визуализации изображений в медицине : В 2 т. / Пер. с англ. под ред. С. Уэбба. - М.: Мир, 1991.

Физиология человека: В 3 т. /Под ред. Р. Шмидта и Г. Тевса.

– М.: Мир, 1996.

Чайченко Г.М., Дибенко В.О., Сокур В.Д. Фізіологія людини і тварин: Підручник. – К.: Вища шк., 2003.

59