БИОФИЗИКА ДЛЯ ИЯЖЕНЕРЯВ Т л и у Ьномеюника, информация

БИОФИЗИКА ДЛЯ ИЯЖЕНЕРЯВ lo p n a i пнния-Теяеком Тли у Ьномеюника, информация н регулирование е и м система! Е.В.Бкгдай, С.В.Вихров, Н.В.Гривеннан, В. М. Редьккн, В. В. Самойлов, Б. И. Чигнрев БИОФИЗИКА : 05827848 Под редакцией С. П. Вихрова и В. О. Самойлова В 2 томах Том 2. (вомеюооко, информация н рерровооие о жноыи системах Рекомендовано УМО по образованию в области радиотехники, электроники, биомедицинской техники и автоматизации для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки дипломированных специалистов 653900 - «Биомедицинская техника» и направлению подготовки бакалавров и магистров 553400 - «Биомедицинская инженерия» Москва Горячая линия - Телеком 2008 УДК 557.3 ББК 28.071 Б63 Р е ц е н з е н т : доктор биолог, наук, профессор Е. В. Чурносов А в т о р ы : Е. В. Бигдай, С. П. Вихров, Н. В. Гривенная, В. М. Редькин, В. О. Самойлов, Б. И. Чигирев Б63 Биофизика для инженеров: Учебное пособие. В 2 томах. Том 2. Биомеханика, информация и регулирование в живых системах / Е. В. Бигдай, С. П. Вихров, Н. В. Гривенная и др. Под ред. С. П. Вихрова и В. О. Самойлова- М.: Горячая линия-Телеком, 2008. - 4 5 6 с.: ил. ISBN 978-5-9912-0049-3. В учебном пособии систематизированы сведения о физических и физико хим ических процессах, леж ащ их в основе ж изнедеятельности организмов на всех уровнях их организации, необходимые для инженеров и специали стов, занимающихся разработкой и обслуживанием биомедицинской техники. В первом томе двухтомного пособия изложены основы биоэнергетики и термодинамики биологических процессов, рассмотрены структура, свой ства и функции биологических мембран и биоэлектрогенез. Второй том по священ биофизическим основам двигательной активности человека, инфор мационных и регуляторных процессов в биологических системах, а также общим принципам функционирования сенсорных систем. Для студентов, обучающихся по направлению «Биомедицинская техника», будет полезна инж енерам и специалистам, заним аю щ имся моделировани ем физиологических процессов и разработкой аналитической, диагностиче ской и лечебной аппаратуры. ББК 28.071 Учебное издание Бигдай Елена Владимировна, Вихров Сергей Павлович, Гривенная Наталья Владимировна, Редькин Владимир Михайлович, Самойлов Владимир Олегович, Чигирев Борис Иванович БИОФИЗИКА ДЛЯ ИНЖЕНЕРОВ Учебное пособие Том 2. - Биомеханика, информация и регулирование в живых системах Редактор И. М. Андреева Компьютерная верстка О. В. Ушакова Обложка художника В. Г. Ситникова П о д п и с а н о в п е ч а т ь 0 4 .0 4 .0 8 . Ф о р м а т 60 х 9 0 7 ,,. У ел. п сч. л . 2 8 ,5 . И з д . № 849. Т и р а ж 1000 эк з. О О О « Н а у ч н о -т е х н и ч е с к о е и з д а т е л ь с т в о « Г о р я ч а я л и н и я Т е л е к о м » . З а к а з № 9844. О тп сч атн о с го товы х д и ап о зи ти во в в О А О ордена «Знак П очета» «С м олен ская областная т и п о г р а ф и я и м . В. И . С м и р н о в а » . 214 0 0 0 , г. С м о л е н с к , п р о с п е к т а м . Ю . Г а г а р и н а , 2. ISBN 978-5-9912-0049-3 (Т. 2) ISBN 978-5-9912-0050-9 © Е. В. Бигдай, С. П. Вихров, Н. В. Гривенная и др., 2008 © Оформление издательства «Горячая линия-Телеком», 2008 ВВЕДЕНИЕ Учебное пособие состоит из двух томов. В первом томе изло жены основы биоэнергетики, рассмотренные с позиций термодина мики и законов квантовой механики, а также вопросы структур но-(функциональной организации биомембран и биоэлектрогенеза. Второй том учебного пособия состоит из трех глав (гл. 5-7), которые посвящены основам биомеханики, двигательной активности рнда систем живых организмов (гл. 5), сенсорным биосистемам (гл. (»), а также процессам регулирования в системах организма (гл. 7). Биомеханика изучает кинематику, динамику движений биоло гических систем, механику мягких и твердых биологических тканей, механику кровообращения и дыхания, механику массопереноса на различных уровнях организации биосистем. Глава 6 ориентирована на читателей, которые знакомы с рядом разделов высшей математики и физики, основами биологии челове ка, молекулярной биофизики, электробиологии и биофизики клетки. 11еобходимо иметь в виду, что основные процессы жизнедеятельно сти организмов протекают на уровне биологических мембран. Любая живая клетка имеет мембранную разность электрических потенциа||о» (потенциал покоя), которая может изменяться дискретно (потен циал действия) или относительно плавно (рецепторный потенциал). Частота следования потенциалов действия по нервным волокнам ограничена рефрактерным периодом и другими свойствами и осо бенностями волокна. В данной главе рассмотены также и нерешен ные проблемы рецепторных систем, что может вызвать у читателя интерес и желание поработать самостоятельно с научно-технической литературой по этим проблемам. Теория информации представляет собой совокупность матема тических концепций, которые позволяют оценить количество инфор мации, содержащейся в том или ином сообщении, определить пропу 4 Биофизика скную способность каналов связи, количественно сопоставить эффективность применяемых систем кодирования. Живой организм является открытой системой. Это означает, что он обменивается с окружающей средой веществом, энергией и информацией. Биофи зика, исследуя обмен информацией между организмом и окружаю щей средой, проникает прежде всего в механизмы воздействия ее на биологические системы, для чего изучает особенности физико-хими ческих процессов, происходящих в организме человека и животных под влиянием информации, поступающей из внешней среды. Обращение к рефлексам потребовалось нам для того, чтобы понять, как в рефлекторной теории проявляются основные принципы кибернетики. Среди них одним из важных является принцип обрат ной связи. Изучение обратных связей как в рефлекторных реакциях, так и в других формах регуляции функций в организме (гумораль ной, местной) привело к выводу о замкнутости контуров биологиче ского регулирования. При этом весьма полезным оказалось примене ние принципов теории автоматического регулирования к изучению разнообразных регуляторных механизмов в биологических системах. Глава 5. БИО Ф ИЗИКА ДВИГАТЕЛЬНОЙ АКТИВНОСТИ Механические свойства живых тканей и органов, а также меха нические процессы, обеспечивающие двигательную активность, изуmiici ономеханика. Биомеханичкое моделирование исходит из того понижения, что пассивные механические свойства биологических и1и.с м ои отображаются в модели упругим и вязкостным элементами, и ним о тображения способности живых тканей генерировать механи ческую энергию вводится активный («сократительный») элемент. Iiik.oi Iрсхэлементная модель мышцы (рис. 5.1) была предложена и I') Ч)-с годы выдающимся биофизиком, лауреатом Нобелевской премии А.В. Хиллом. 1 2 Вязкий элемент Упругий элемент Активный элемент Рис. 5.1. Модель Хилла Позднее модель Хилла была распространена на другие ткани opi пмпзма, поскольку та или иная двигательная активность прису щи иссм животным и растительным клеткам. Теперь известны не ним.ко актин-миозиновая, но и тубулин-динеиновая системы под вижности, причём первая из них присуща не только мышечной тка ни, как думали прежде. Молекулярные компоненты систем подвиж ности всех эукариотических организмов (от амёбы до человека) кодируются генами, которые сохранились неизменными на протяже нии всей эволюции. Рассмотрим молекулярные механизмы подвиж ности, которые обеспечиваются актин-миозиновой и тубулин-диненновой системами. 6 Биофизика 5 .1 . Биофизика мышечного сокращения 5 .1 .1 . Актин-миозиновая система миоцита поперечнополосатых мышц Актин-миозионовая система образована актпмоными и миозиновыми нитями. Актиновые нити образуются при полимеризации мо лекул глобулярного белка актина (G-актина). Пго полипептидная цепь (первичная структура) включает 374 аминокислотных остатка. Молекулярная масса 41,8 кДа. Третичная структура представляет со бой глобулу с бугристой поверхностью, изрезанной щелями, самая глубокая из которых пролегает в середине молекулы и содержит ак тивные центры связывания АТФ и АДФ, а также Са2' и Mg2+. Кроме того, на молекуле G-актина есть сайты связывания гропомиозина, тропонина, головки миозина (об этих белках пойдет речь ниже), а также соседних молекул G-актина. Благодаря активным центрам связывания G-актина на нем гло булы объединяются в фибриллы, образуя F -актин (рис. 5.2). Контак ты между соседними мономерами G-актина обеспечиваются гидро фобными и электростатическими взаимодействиями. Фибриллы F -актина объединяются попарно (наподобие пары перекрученных ниток бус), и таким образом формируется актиповый микрофиламент длиной до 1 мкм и диаметром (толщиной) около 6-8 нм. Шаг спирали (полный виток) F-актина составляет 77 нм и на его протяже нии содержится примерно 14 пар молекул G-актина. Актиновый микрофиламент - весьма динамичная полярная структура, причем на её положительном полюсе происходит полиме ризация (присоединение новых G-мономеров к F -актину), а на проти воположном (отрицательном полюсе) поляризованной молекулы деполимеризация. Поэтому актиновая нить непрерывно растет в сто рону своего положительного полюса и столь же непрерывно укорачи вается на отрицательном полюсе (противоположном конце). Полиме ризация актина регулируется несколькими белками и обеспечивается энергией посредством гидролиза АТФ, причём образующийся в этой реакции АДФ остается на F-актине. Он замещается молекулами АТФ на отрицательном полюсе актиновой нити при её укорочении. I папа 5. Биофизика двигательной активности G-актин 7 Цитохапазин В Рис. 5.2. Структура актинового филамента: а - глобулярный актин (G-актин), представляет собой яйцевидную белковую молекулу, имеющую две пары комплементарных («ключ - замок») сайтов прикрепления, одну полярную, другую —латеральную (б); сайты дают возможность молекулам полимеризоваться с образованием скрученных двухнитчатых волокон фибриллярного актина (F-актина) (в), содержащего 14 пар мономерных молекул G-актина в одном полном витке ( Л нм) Актиновые микрофиламенты прикрепляются внутри клетки к плоским дискообразным ультраструктурам, которые, в свою оче редь, «заякореваются» на внутренней поверхности плазмолеммы или на мембранах органоидов. Не зря микрофиламенты называют «цитокостями». Отдельные актиновые нити группируются в пучки, которые либо тянутся через нею цитоплазму, либо образуют осевые стержни, поддерживающие поверхностные выросты клетки (например, микроворсинки), либо переплетаются в виде паутины, укрепляя плазмолемму. Почти во всех клетках (за исключением миоцитов) большая часть нитей вовле чена в формирование актинового кортекса (cortex - кора), который 8 Биофизика залегает под плазмолеммой наподобие паутинообразной сетки. Бла годаря тому, что в кортексе микрофиламенты сплетаются в сложные сети, он при сжатии клетки деформируется во всех направлениях. Средняя продолжительность жизни актиновой нити коротка - напри мер, в кортексе лейкоцита всего 5 с. Актиновый кортекс испытывает существенные перестройки при образовании клеткой псевдоподий (ложных ножек) - выростов цитоплазмы в сторону интерстиция. На их возникновение уходит не сколько минут, а то и секунд. Внутри каждой псевдоподии находятся кортикальные микрофиламенты, которые на протяжении её жизни беспрестанно полимеризуются и деполимеризуются. Кончик псевдо подии способен временно прикрепляться к поверхностям, по кото рым ползёт клетка (например, лейкоцит). В псевдоподии для переме щения клетки должен находиться не только актин, но и миозин, взаимодействующий с актиновыми нитями, выполняющими функ цию рельсов, по которым движется (скользит) миозин, относящийся к так называемым белкам-моторам («цитомышцам»). Выделено не сколько типов миозинов. Одни из них обеспечичают внутриклеточ ный транспорт, а другие - сокращение миоцитов. Каждая из молекул миозинов, осуществляющих сокращение миоцитов, образована четырьмя полипептидными цепями, две из ко торых (тяжёлые) имеют молекулярную массу по 200 кДа, а две лёгкие - 20 кДа и 17 кДа. Следовательно, молекулярная масса этого гиганта достигает почти 500 кДа. Каждая из двух тяжёлых цепей об разует вторичную структуру типа а-спирали. Спирали обеих цепей скручены в двухнитчатую (левозакрученную) суперспираль с шагом в 7,5 нм (рис. 5.3, а). Она является стержнем миозиновой молекулы, который по своей длине (135 нм) при толщине в 2 нм превосходит все аналогичные молекулярные структуры, встречающиеся в природе. На верхнем конце стержня две нити расходятся, чтобы образо вать подвижные «стебельки», на вершинах которых тяжёлые полипептидные цепи сплетаются с дополнительными (лёгкими) цепями и формируют глобулярные молекулярные структуры, которые как по никшие головки выступают на поверхности. За счёт них общая длина миозиновой молекулы достигает 155 нм. Молекула напоминает двой ной цветок на длинной ножке. Соединение между головкой и стерж I пава 5. Биофизика двигательной активности 9 нем молекулы подобно шарниру, что позволяет «цветам» наклоняться и гой или иной степени. Важно заметить, что головки миозина облада ют АТФазной активностью, т.е. активируют гидролиз АТФ. Миозиновые молекулы самопроизвольно собираются в пучок. 11ри таком объединении стержни нескольких сотен молекул, распо лагаясь параллельно друг другу с некоторым сдвигом по длине (от носительно расположения головок), образуют своеобразный ствол толщиной 11-14 нм, из которого в верхней его части выступают го ловки (рис. 5.3, б). Важно знать, что эта надмолекулярная структура биполярна, поскольку в её середине соединяются (конец в конец) два А S х ю г-‘ Рис. 5.3. Миозиновые нити: a - двухнитчатая структура миозина II (белковая молекула с двумя головками); б - пучки (стержни) толщиной 15-20 нм с многочисленными головками, выступающими над поверхностью и образующими регулярные спиральные ряды, в середине стержня - оголённый сегмент без головок; в - молекулы миозина I (М), которые прикреплены короткими хвостами к мембране транспортируемого органоида (О), а головками —к актиновой нити (А) 10 Биофизика «ствола» при том, что «кроны» обращены в противоположные сторо ны. Поэтому в середине толстой нити, в которой объединены сотни молекул миозина, имеется участок длиной около 300 нм, свободный от головок. Общая длина всего такого филамента составляет в раз ных клетках от 2,5 до 15 мкм. В миозинах, которые обеспечивают внутриклеточный транс порт органоидов (митохондрий, лизосом и др.), «хвосты» короткие. Ими миозиновые молекулы присоединяются к мембранам органои дов и, скользя затем по актиновым нитям, перемещают их в различ ные участки клетки (рис. 5.3, в). В таком варианте могут работать даже отдельные молекулы миозина или тонкие пучки, образованные их малым количеством. Благодаря способности к беспрестанным процессам сборки и разборки, протекающим очень быстро, нити F-актина могут дости гать любого участка клетки, а по ним, как по рельсам, туда устремляет ся миозин, который подобно локомотиву тянет за собой различные кле точные компоненты, прикрепляющиеся к нему. За счёт скольжения миозина I типа по микрофибриллам движутся органоиды в цитоплазме (например, митохондрии подтягиваются к тем местам, где есть нужда в макроэргах), а при скольжении миозина II типа перемещаются от дельные участки клетки друг относительно друга. Взаимодействие миозина с актином обеспечивает животным и человеку преодоление земного притяжения и перемещение в пространстве, кровообращение, внешнее дыхание, двигательную активность желудочно-кишечного тракта и других внутренних органов, родовую деятельность и другие виды подвижности, которые обеспечиваются миоцитами разных типов. Характерной особенностью актин-миозиновой системы миоцита (мышечного волокна) является строго параллельное расположе ние актиновых и миозиновых нитей (рис. 5.4), благодаря чему их скольжение происходит в одном направлении, и в клетке развивается большое напряжение. Это свойственно всем трём типам миоцитов: миоцитам скелетных мышц, кардиомиоцитам, гладкомышечным клеткам. Рассмотрим прежде всего биомеханические процессы в миоците скелетных мышц. Его длина достигает в разных мышцах от 5 до 100 мм, а диаметр значительно уступает длине, составляя от 10 до 100 мкм. Преоблада- mi 11 i люфизика двигательной активности i tим1.1 над толщиной в такой веретенообразной клетке позволяет || I п т а и , её волокном. Вместе с тем следует отметить, что мышечное но образуется путем слияния множества отдельных клеток. Поч им v и мноците (весьма крупной клетке) содержится несколько ядер. Внутри миоцита находится порядка 103 миофибрилл. Диаметр • I иной из них составляет 1-3 мкм, а длина такая же, как у всей клет'II 11н >том протяжении в миофибрилле помещается огромное коли| . ' Iно гак называемых саркомеров (sarx - мясо, meros - часть), вы- IIГ Рис. 5.4. Схематическое изображение миофибриллы вмиоците поперечнополосатых мышц I - изотропный диск, А - анизотропный диск, Н-зона, Z-линия 12 Биофизика V . Рис. 5.5. Электронограмма миоцита поперечнополосатых мышц Обозначения: А - анизотропный диск; I - изотропный диск; Z - Z -линия (полоска) строенных в цепочку благодаря последовательному соединению друг с другом. Соседние саркомеры «склеиваются» друг с другом белком десмином, который вместе с актиновыми нитями образует актин-десминовую ячеистую сеть. В растянутом состоянии мышеч ного волокна длина его саркомеров может достигать 3,5 мкм. Разде лив длину волокна (а, значит, и составляющих его миофибрилл) на эту величину (длину саркомера при растяжении), находят число сар комеров в миофибрилле. Саркомер является элементарной надмоле кулярной сократительной единицей мышечного волокна. Благодаря упорядоченности молекулярной структуры миоцита границы саркомеров в соседних миофибриллах совпадают, следстви ем чего является характернейшая особенность поперечнополосатых (скелетных) мышц, давшая им такое название, - регулярная исчерченность за счёт чередования светлых (изотропных - I) и тёмных (анизотропных - А) полос, наблюдаемых под микроскопом (рис. 5.5). Анизотропные диски обладают двойным лучепреломлением: в обыч ном свете выглядят тёмными, а в поляризованном - прозрачными (светлыми) в продольном и непрозрачными (тёмными) в поперечном направлениях. Изотропным дискам не свойственно двойное лучепре ломление. Затемнение в центре /-диска (/-полосы) обусловлено кон тактами между соседними саркомерами. Эта тёмная полоска толщи ной 80-160 нм называется Z-линией (или Z-диском). Она служит границей между соседними саркомерами в миофибрилле. Под элект ронным микроскопом в 1953 г. увидели, что каждый саркомер состо ит из тонких (актиновых) и толстых (миозиновых) филаментов. Они называются протофибриллами, число которых в среднем составляет 2500 в одной миофибрилле. Протофибриллы расположены паралле- I пиан ft. Биофизика двигательной активности 13 - * г - ш 1 Рис. 5.6. Схема строения саркомера при продольном (1) и поперечном (2) срезах в зоне перекрывания актиновых (А) и миозиновых (М) нитей щ.но друг другу, причём /-диск соответствует тому участку саркоме|ш. где присутствуют только актиновые нити (см. рис. 5.4). В Л-диске актиновые нити перекрываются миозиновыми. II центре /1-диска наблюдается светлый участок (Н-зона), в котором присутствуют только миозиновые нити. Следовательно, анизотропия обусловлена совместным присутствием и миозиновых, и актиновых фпламентов. На поперечном срезе саркомера нити образуют регуляр ную гексагональную систему, в которой каждая миозиновая прото фибрилла взаимодействует с шестью актиновыми, а каждая актино нам с тремя миозиновыми (рис. 5.6). Взаимодействие между тонкими и толстыми филаментами осу ществляется посредством так называемых поперечных мостиков, об разованных головками миозиновых молекул. Они расположены по отношению к продольной оси миозиновой нити под углом 120°. Рассгомнис между соседними миозиновыми мостиками, лежащими на одной оси, составляет 43 нм (см. рис. 5.3, б). Поперечный мостик ра ботает как химиомеханический преобразователь. Стоит ещё раз заметить, что в миоците актиновые и миозиновые фпламенты лежат строго параллельно друг другу. Промежутки межу ними составляют примерно 13 нм. В них-то и выступают головки мионшовых молекул - поперечные мостики, которые подобно миниаиормым веслам могут совершать гребковые движения, перемещая тонкие нити относительно толстых. Для того чтобы это произошло, 14 Биофизика головка миозина должна вступить во взаимодействие с активным цен тром на актиновой нити. В расслабленной мышце он прикрыт («за чехлён») молекулой тропомиозина. Она имеет двухнитчатую струк7 нм Т—1—Г—I—I—г Рис. 5 .7. Двухнитчатая (две идентичные полипептидные цепи) суперспираль тропомиозина Рис. 5.8. Расположение тропомиозина в желобке актинового микрофиламента Рис. 5.9. Гипотетическая структура тропонина: а —в отсутствие Са2*; б —в присутствии Са2+, Т - тропомиозинсвязывающая субъединица, И - актинсвязывающая субъединица (ингибирует связывание миозина с актином), С - кальцийсвязывающая субъединица (ее положение изменяется в зависимости от присутствия Са+) I иямя 0. Биофизика двигательной активности 15 Iуру, образованную двумя субъединицами с молекулярными массами 1<1 п .16 кДа. Молекула длиной 41 нм скручена с шагом 7 нм (рис. 5.7) и занимает спиральный желобок между двумя нитями ^-актина (рис. 5.8), где расположены активные центры, с которыми должны ни унить во взаимодействие миозиновые головки, чтобы произошло I ПКращение мышцы. Кроме актина, миозина и тропомиозина, миоциты поперечнонпмосатых мышц содержат важный регуляторный белок тропонин, миорый связан с актиновым филаментом и с тропомиозиновой ниM.IO (рис. 5.9). Рис. 5.10. Сдвоенный актиновый микрофиламент, укомплектованный тропомиозином и тропонином: в отсутствие ионов кальция (А), в присутствии ионов кальция (Б) 16 Биофизика Три субъединицы тропанина имеют в сумме молекулярную массу 76 кДа. Одна из субъединиц способна связываться с 4 ионами Са2+. Когда такое взаимодействие происходит, тропонин воздейству ет на тропомиозин, и тот освобождает на актиновом филаменте ак тивный центр для миозина (рис. 5.10). Тем самым устраняется пре пятствие их взаимодействию. 5 .1 .2 . Механизм мышечного сокращения Благодаря снятию ионами кальция тропомиозиновой блокады активных центров F-актина с ними взаимодействуют миозиновые го ловки - они совершают гребковые движения к центру саркомера. Го ловка временно прикрепляется к актиновой нити и наклоняется на своем стебельке (рис. 5.11), смещая миозиновую нить вдоль актино вой (как локомотив тянет железнодорожный состав по рельсам) на один шаг (примерно на 10 нм). Вместе с тем актин активирует спо собность миозина в качестве АТФазы гидролизовать АТФ. При взаи- Рис. 5.11. Механизм скольжения - продольного перемещения микрофилментов относительно центральной миозиновой нити: а - положение головок миозина при низкой концентрации Са2* в миоплазме, б - положение головок миозина (сгибание в шарнирном соединении головок с двунитчатым стеблем миозиновой молекулы) при повышении содержания Са2* в миоплазме. Стрелками указано направление перемещения актиновых нитей i ники Л. Биофизика двигательной активности 17 с актином каждая миозиновая молекула ежесекундно I маролизует до 10 молекул АТФ. Следовательно, головки молекул мипшна обеспечивают как связывание толстых нитей с тонкими, так и I ндролиз АТФ. В конце гребка миозиновой головки по актиновой пн in к молекуле миозина присоединяется новая молекула АТФ, что приводит к отделению головки от актина. При последующем гидрошпс АТФ происходит восстановление исходной конформации мионнюиой молекулы, благодаря чему её головка может снова присоещшпться к актиновой нити, но уже ближе к центру саркомера, чем мри предыдущем взаимодействии с ней. В каждом толстом филаменте содержится около 500 миозиноЩ.1Х головок. Каждая из них при быстром сокращении мышцы совер шит примерно 5 циклических гребков (смыканий и размыканий по перечных м о с т и к о в ) в 1 с . Естественно, что не все мостики работают ндмовременно: одни замыкаются на актиновых нитях, другие в этот миг о тделены от них. По расчетам М.В. Волькенштейна, каждый миошповмй мостик должен создавать усилие порядка 5 ■10-12 Н. Такая г ина в пересчёте на единицу площади и с учетом всех миозиновых мостиков, приходящихся на бицепс человека, даёт напряжение, рав ное 2 ■105 Па, что близко совпадает с фактическим значением напря жения этой мышцы (1,8 • 105 Па). Однократное прикрепление миозиновой головки к актиновому филаменту укорачивает саркомер на 1% его первоначальной дли ны и развивает силу в 3-5 пН с КПД примерно 20%. При много кратном актин-миозиновом взаимодействии, что и происходит н ес тественном мышечном сокращении, каждый саркомер укорачи вается пропорционально укорочению всей мышцы. Сокращение мышцы не приводит к изменению собственной длины ни толстых, ни тонких нитей. Сохраняя свои размеры и характер упаковки образую щих их субъединиц, они скользят друг относительно друга. Теория скользящих нитей (рис. 5.12), сформулированная в 1954 г. А. Хаксли н I'. Хаксли, подтверждена многими экспериментами. Иногда её фор мулируют как теорию лазания или теорию гребков, но принципи ально существо современных представлений о механизме мышечно го сокращения не изменилось за истекшие полвека: максимальная сила сокращения мышцы пропорциональна степени взаимного перемоцсмствии 18 Биофизика Актиновая нить /-диск Миоэиновая нить И Рис. 5.12. Перемещение актиновых нитей относительно окружённой ими миозиновой нити: а -расслабление; б - сокращение крытия толстых и тонких нитей. При уменьшении длины саркомера укорачивается только 7-диск, тогда как А-д иск не изменяет своих размеров. Для максимального сокращения саркомера миозиновые мости ки должны совершить примерно 50 гребков. Дискретность процесса скольжения обеспечивает дозирование степени сокращения. Оно оп ределяется количеством одновременно замкнутых поперечных мос тиков,тогда как его скорость зависит от частоты их замыкания (от числа замыкаемых мостиков в единицу времени). Скорость укороче ния миоцитов скелетных мышц составляет 10-20 мкм ■с-1, а кардиомиоцитов - на порядок меньше. Как уже говорилось, саркомер может быть растянут до 3,6— 3,8 мкм. Тогда мышечное волокно не развивает никакого напряже ния. Обычно при естественном расслаблении мышцы длина саркоме ра составляет около 2,5 мкм. Мышца развивает максимальную силу, когда саркомер укорачивается до 2,0-2,2 мкм. Однако его длина мо жет уменьшаться и до 1,5-1,6 мкм. В таком случае напряжение мыш цы ослабевает, поскольку концы миозиновых филаментов упираются в Z-зону (актин-дисминовую сеть), что приводит к нарушению пра вильной ориентации миозиновых мостиков относительно актиновых филаментов и ослаблению тянущего усилия. i и,кш !). Биофизика двигательной активности 19 Только при наличии в миоплазме (рядом с миофибриллами) |'н" и АТФ осуществляется правильная двигательная активность мышц, в которой чередуются процессы замыкания и размыкания мпо чиповых мостиков на актиновых нитях. Если в миоплазме недос пи о к АТФ, то развивается окоченение мышц. Примером служит Iручное окоченение, которое при наступлении смерти приходит на I мену первоначальному расслаблению мускулов, когда в них исчезаг| АТФ, поскольку он обеспечивает размыкание замкнутых попереч ных мостиков. Источником энергии, необходимой для мышечной деятельноми, служат реакции окисления субстратов клеточного дыхания, в ходе мшфых образуются макроэрги (АТФ). Для мышечного сокращения необходим гидролиз АТФ. КПД сократительной деятельности мышц примерно 20%. Таким образом, в работающей мышце пятая часть хи мической энергии преобразуется в механическую, а 80% выделяется н мидс тепла. Энергетические процессы в мышцах неодинаковы при одномоментном (кратковременном) усилии и при длительной работе. Крачковременное мышечное сокращение происходит за счёт запасов АТФ в волокне, тогда как продолжительная мышечная деятельность фсбует пополнения АТФ при помощи интенсификации окислитель ного фосфорилирования в процессе совершения этой работы. Субг Iраты клеточного дыхания и кислород поступают в мышечное волок но из крови. Поэтому при тренировке выносливости (способности совершать длительную работу) необходимо развивать прежде всего хорошее кровоснабжение мышц. При тренировке силы (способности совершать значительную работу за короткое время, т.е. работать с вы сокой мощностью) требуется увеличение числа миозиновых мости ков, которые могут синхронно включаться в сократительный акт. Это качество, необходимое, например, штангистам, достигается главным образом путем значительного утолщения мышечных волокон за счёт увеличения количества актиновых и миозиновых протофибрилл в вонокпе. Сами миоциты дифференцированы и не способны к делению. При нагрузке развивается их гипертрофия, а не гиперплазия. Как следует из сказанного, для обеспечения молекулярного ме ханизма взаимодействия актиновых и миозиновых нитей необходи 20 Биофизика мы как макроэрги, так и ионы кальция. Именно Са2+является важней шим компонентом электромеханического сопряжения (рис. 5.13). Миофибриллы начинают сокращаться, когда вокруг них в ци тозоле концентрация свободных ионов кальция станет равна (0,41,5) • 10-6 моль. Максимальное сокращение мышечного волокна про исходит при её повышении до 5 ■10-6 моль. Между тем, в покое кон центрация Са2+ в цитозоле мышечного волокна не превышает 10-7 моль. Для возникновения сокращения скелетной мышцы ионы каль ция должны поступить к миофибриллам из саркоплазматической се ти (СПС). Так называют систему пузырьков и цистерн, отделённых мембранами от остальной саркоплазмы. СПС занимает примерно 10% объёма мышечного волокна, а суммарная площадь её мембран в миоците приблизительно в 100 раз больше поверхности сарколем мы. СПС служит кальциевым депо в мышечном волокне - содержа ние в ней ионов кальция достигает 10-2 моль. Следовательно, на мем бране СПС поддерживается колоссальный градиент Са2+, но в покое она совершенно непроницаема для этого иона. СПС расположена поблизости от миофибрилл, причём в элек тромеханическом сопряжении важнейшую роль играют её цистерны, примыкающие к диску Z (рис. 5.13, а, б). Здесь же находятся впячивания сарколеммы внутрь волокна, имеющие форму трубочек диа метром около 50 нм. Они образуются за счёт того, что сарколемма во многих местах «ныряет» вглубь и заканчивается в саркоплазме сле пыми концами наподобие пальцев вывернутой перчатки. Такой ме шочек (трубочка) идёт поперек волокна, достигая в длину более 10 мкм. В мышечном волокне диаметром 80 мкм, имеющем форму цилиндра, мембраны этих трубочек образуют поверхность, суммар ная площадь которой в 2,5 раза превосходит поверхность плазмолеммы миоцита. В зоне Z-диска каждая трубочка вместе с двумя сосед ними цистернами СПС образует так называемую Т-систему. Они окружают каждую миофибриллу. Г-система с миофибриллой служат основным звеном в электромеханическом сопряжении. Сигналом к сокращению скелетной мышцы являются нервные импульсы, поступающие из спинного или головного мозга к конце вой моторной пластинке (нервно-мышечному синапсу). Далее следу ет синаптическая передача с участием ацетилхолина и холинорецеп- 21 11man S. Биофизика двигательной активности z а) б) в) Рис. 5.13. Фрагменты структуры миоцита (А, Б) и схема электромеханического сопряжения (В): а - состояние покоя; б - момент сокращения мышцы; в - расслабление мышцы. Обозначения: Т —Т-трубочка; СПС - цистерна саркоплазматической сети; стрелки пассивный транспорт Са2+ по каналам; стрелки с кружком активный транспорт кальциевой помпой; А - анизотропные диски; I —изотропные диски; С Л —сарколемма; Z - Z-диск; числами обозначены концентрации ионов кальция (моль) 22 Биофизика торов. Потенциалы действия, образовавшиеся на внесинаптических участках сарколеммы под действием потенциала концевой пластин ки,распространяются бездекрементно по всей плазматической мем бране мышечного волокна, проникая и в Г-систему (по мембране трубочки). С трубочки деполяризация распространяется на мембра ну СПС и открывает в ней потенциалзависимые кальциевые каналы. Через открывшиеся каналы Са2+ пассивно (в сторону более низкого электрохимического потенциала) устремляется из цистерн СПС в саркоплазму и достигает миофибрилл. Около них создаётся доста точная для замыкания миозиновых мостиков концентрация ионов кальция. Выход кальция из СПС прекращается сразу вслед за реполяризациией сарколеммы, но миофибриллы пребывают в сокращённом состоянии до тех пор, пока содержание кальция подле них не снизит ся до 10“7 моль. Для этого Са2" должен возвратиться в СПС, но такой транспорт приходится осуществлять вопреки действию огромного концентрационного градиента. Следовательно, расслабление мио фибрилл в миоците скелетных мышц после их сокращения невозмож но без участия системы активного транспорта - кальциевой помпы. Её работа - неотъемлемый элемент сократительного процесса в мышце. Из мембраны СПС выделена Са-активируемая АТФаза, которая слу жит основным компонентом кальциевого насоса. Таким образом, электромеханическое сопряжение включает цепь последовательно идущих процессов: распространение ПД по сарколемме —» деполяри зация мембран трубочек Г-системы —> открытие кальциевых каналов в мембране СПС —» выход Са2+ из цистерн СПС в цитозоль мышечно го волокна —> замыкание миозиновых мостиков. Расслабление мыш цы связано с реполяризацией сарколеммы и последующей активиза цией работы кальциевого насоса, локализованного в мембране СПС. Последовательность электрических, осмотических и механиче ских процессов в миоците скелетных мышц представлена на рис. 5.14. После синаптической передачи возбуждения с нервного волокна на миоцит в его субсинаптической мембране возникает потенциал кон цевой пластинки (ПКП), который инициирует генерацию потенциала действия (ПД) на сарколемме. Его амплитуда достигает 120-130 мВ, 23 Гпава 5. Биофизика двигательной активности t, мс Рис. 5.14. Последовательность электрических, осмотических и механических процессов в миоците поперечнополосатых мышц. а продолжительность в каждой точке сарколеммы составляет около 3 мс, но он не стоит на месте, а распространяется по сарколемме, включая и мембрану Г-трубочек, со скоростью 3-5 м • с-1. Примерно через 20 мс после образования ПД происходит максимальный выход Са2+ из цистерн СПС, и благодаря скольжению миозиновых филамен тов по актиновым начинается сокращение миоцита, достигающее максимума примерно через 35 мс после возникновения ПД. При оди ночном сокращении время укорочения мышечного волокна занимает от 15 до 50 мс, а затем миоцит расслабляется. 5 .2 . Механические процессы в опорно-двигательном аппарате человека 5.2 .1. Биомеханические свойства скелетных мышц Одиночное мышечное волокно при сокращении развивает силу порядка 2 • 10_3 Н. В мышцах человека содержится примерно 3 • Ю7 волокон. Если бы все они сократились одновременно и в одном на правлении, то смогли бы создать колоссальное усилие - до 6 • Ю4 Н. Сила мышцы зависит от количества содержащихся в ней воло кон. Поскольку их трудно подсчитать, обычно измеряют поперечное сечение мышцы, которое пропорционально числу волокон, и по нему судят о её силовых возможностях. Для этого нужно определить не геометрическое, а физиологическое поперечное сечение, под кото 24 Биофизика рым понимают сумму поперечных сечений всех волокон, образую щих данную мышцу. В мышце, все волокна которой идут параллель но продольной оси и своими концами прикрепляются к костям (непосредственно или через сухожилия), геометрическое и физиоло гическое сечения совпадают. Такие мышцы при сокращении испыты вают значительное укорочение, но развивают малую силу (выигрыш в расстоянии, но проигрыш в силе). В мышцах другого типа волокна располагаются косо по отно шению к продольной оси и прикрепляются с обеих сторон к сухожи лию, которое тянется вдоль неё на всем протяжении мышцы. Волокна таких (перистых) мышц намного короче самой мышцы. Физиологи ческое поперечное сечение перистых мышц больше геометрического. При мышечном сокращении сухожилие перемещается на малое рас стояние, но при этом развивается значительное тяговое усилие (выиг рыш в силе при проигрыше в расстоянии). Соотношение сил, разви ваемых мышцами с параллельным ходом волокон, и перистыми, выражает уравнение: F2 nb где F x - сила сокращения перистой мышцы, F2 - сила сокращения мышцы с параллельным расположением волокон, / - длина мышцы в покое, п - доля этой длины при сокращении, Ь - средняя толщина мышцы, а - угол между сухожилием и волокнами перистой мышцы. Лишь немногие скелетные мышцы могут сокращаться более чем до 70% первоначальной длины, т.е. до п = 0,7. Если в перистой мышце угол а был бы равен 45° (sin а = 0,7), то сила, направленная вдоль сухожилия, обращалась бы в 0, поскольку сократившиеся во локна располагались бы перпендикулярно сухожилию. Обычно в пе ристой мышце а < 30°. Она сильнее мышцы с параллельным ходом волокон при условии, что 0,9 / > Ь. Перистые мышцы практически не утолщаются. Отношение максимального веса груза, который может поднять мышца, к её физиологическому поперечному сечению называется абсолютной мышечной силой и выражается в единицах напряжения I пава 5. Биофизика двигательной активности 25 (II • м-2 = Па). Абсолютная мышечная сила большинства скелетных мышц человека имеет порядок 106 Па, а гладких - 105 Па. Сокращения скелетных мышц обеспечивают человеку, во-пер вых, под держание определённой позы, для чего необходимо противо действовать прежде всего силе земного притяжения, во-вторых, перемещение частей тела друг относительно друга, в-третьих, пере движение человека в пространстве. Перечисленные процессы осуще ствляются при разной степени укорочения скелетных мышц. По это му признаку различают три типа мышечных сокращений: июметрический, изотонический, ауксотонический (или анизотонический). При изометрическом сокращении длина мышцы почти не из меняется (теоретически - вообще не изменяется), и вся сила затрачи вается на развитие напряжения, т.е. на совершение статической рабо ты (в частности, на поддержание позы). Для исследования этого типа сокращения мышцы её концы удерживают при возбуждении в том положении, какое им было свойственно в покое (рис. 5.15, а). Тогда в возбуждённой мышце развивается значительное напряжение, кото рое затем уменьшается по экспоненциальному закону. При изотоническом сокращении (рис. 5.15, б) мышечные во локна укорачиваются в условиях постоянной (неизменной) внешней нагрузки. Происходит быстрое укорочение мышцы, сменяющееся расслаблением. Между нагрузкой (Р ) и скоростью укорочения (ц) мышцы при сё изотоническом сокращении установлена следующая зависи мость -ур а вн ен и е Хилла: (Р + а)ц = b(P0 - Р), где а, b и Р 0 - констан ты (рис. 5.15, в). Произведение а • ц отображает теплопродукцию мышцы за единицу времени (так называемая тепловая мощность); произведение Р ■Л) выражает полезную мощность. Следовательно, левая часть уравнения в целом характеризует полную мощность изо тонического мышечного сокращения. Величина Р 0 соответствует максимальной нагрузке, которую мышца ещё может удержать, но уже не в состоянии поднять (передвинуть). Другими словами, Р 0 — максимальная сила, развиваемая мышцей в изотоническом режиме. Когда нагрузка мало отличается от максимальной (Р0), мышца не мо- 26 Биофизика в) Рис. 5.15. Схема проведения опытов по изучению изометрического (а) и изотонического (б) реж имов мышечного сокращения и зависимость скорости укорочения (и) скелетной мышцы от нагрузки (Р) на неё при изотоническом сокращении (в): S - электроды для стимуляции двигательного нерва; 1 - тугая пружина с датчиком напряжения; 2 - свободно поднимаемый груз жет развить высокую скорость сокращения. Напротив, при слабой нагрузке скорость сокращения достигает максимума. Исследования изотонического сокращения показали, что при одинаковой исходной длине мышцы: а) степень и скорость укороче ния тем больше, чем меньше нагрузка; б) укорочение достигает сво его максимума тем раньше, чем больше нагрузка; в) чем больше на грузка, тем позже после стимуляции начинается укорочение и тем раньше оно оканчивается. Эти особенности изотонического сокра щения мышцы объясняются следующим образом. После одиночной стимуляции мышца вначале сокращается в изометрическом режиме. Гпава 5. Биофизика двигательной активности 27 В это время сократительный элемент, укорачиваясь, растягивает по следовательный упругий элемент. После того как изометрическая сила мышцы (активное напряжение) достигает массы груза, мышца начинает укорачиваться, поднимая груз. Чем больше груз, тем мень ше изотоническое укорочение мышцы. И если величина груза будет равна максимальному изометрическому напряжению, то никакого укорочения мышцы не произойдет. Таким образом, подбором груза можно при данной длине мышцы определить ее максимальное изо метрическое напряжение. При изотоническом сокращении мышцы она, укорачиваясь, поднимает груз и, таким образом, выполняет внешнюю работу. Ве личина этой работы равна произведению степени укорочения мыш цы на величину поднимаемого груза. Кривую «укорочение - нагрузка» можно получить двумя путя ми. В первом случае мышца предварительно растягивается грузом и, таким образом, исходная ее длина будет различной в зависимости от величины груза. Это показано на рис. 5.16 кривой напряжения покоя (1). Предположим, что при нагрузке 120 г на кривой 1 длина мышцы соответствует точке А. При титаническом раздражении мышцы она укорачивается до длины, показанной на рис. 5.16 точкой В. Подве шивая к мышце различные грузы, получаем кривую 2 изотонических максимумов. Во втором случае исследуется укорочение мышцы при различ ных нагрузках, но исходная длина мышцы сохраняется постоянной метод постнагрузочного сокращения. Пассивное растяжение мышцы под влиянием груза предотвращается стопорным винтом, как это по казано в верхней части рисунка 5.16. Таким путем получаем кривую 3 постнагрузочных изотонических максимумов. При каждой нагруз ке в мышце в ответ на раздражение развивается сначала изометриче ское напряжение. Когда последнее достигает величины груза, мышца начинает укорачиваться, производя работу. Как видно из рис. 5.16, при нагрузке, например, 90 г выполненная мышцей работа будет рав на площади фигуры ОВВ'Г. При нагрузках ~ 160 и 30 г работа мыш цы будет равна площади фигур ОДЦ'Е и ОЖЖ'З соответственно. Площадь ОВВТ больше, чем площадь ОДЦ'Е или ОЖЖ'З. 28 Биофизика а) 6) Рис. 5.16. Изотоническое сокращение мышцы: а -уст ан овка для регистрации изотонического сокращения: 1 - мышца; 2 —стимулятор; 3 - показатель длины мышцы; 4 - груз; 5 - ось крепления рычага; 6 —винт, ограничивающий натяжение мышцы; б - зависимость м еж ду нагрузкой Р и длиной L мышцы: 1 - кривая пассивного напряжения (исходная длина мышцы 2,5 см); 2 - кривая изотонических максимумов; 3 - кривая постнагрузочных изотонических максимумов расслабления Таким образом, максимальную работу мышца выполняет при умеренной и средней нагрузках. Увеличение или уменьшение на грузки ведет к уменьшению работы, а при максимальной (равной изометрическому напряжению) и нулевой нагрузках работа, выпол ненная мышцей, будет стремиться к нулю. Важной характеристикой изотонического сокращения являет ся скорость укорочения мышцы V. Оказалось, что при одинаковой исходной длине мышцы скорость укорочения при изотоническом сокращении тем больше, чем меньше нагрузка (рис. 5.17). При ну левой нагрузке скорость максимальна, а при максимальной нагруз ке (когда она равна максимальному изометрическому напряжению Р0) укорочение мышцы отсутствует, поэтому и скорость его равна нулю. Если откладывать по оси абсцисс нагрузку, а по оси ординат скорость укорочения мышцы в изотоническом режиме сокращения, получим кривую сила (нагрузка) - скорость, которая имеет форму гиперболы (рис. 5.17, б). I пива 5. Биофизика двигательной активности 29 Так как укорочения последовательно соединенных между со(ioii саркомеров в мышечном волокне суммируются, то при сокраще нии длинные мышечные волокна будут укорачиваться быстрее, чем короткие. Например, портняжная мышца лягушки укорачивается со скоростью 0,2 м/с, и каждый саркомер длиной 2 мкм укорачивается па 1 мкм за 50 мс. Более длинные мышцы конечностей крупных жи вотных укорачиваются со скоростью 8 м/с и больше. Идеальные изометрический и изотонический типы сокращения мышцы изучаются в искусственных условиях эксперимента. Вместе с тем и в естественных условиях может доминировать один из них. Так, миокард желудочков в определённую фазу систолы (при закры тых клапанах) испытывает изометрическое сокращение. Жеватель ные мышцы при сомкнутых челюстях развивают огромное напряже ние именно потому, что происходит их изометрическое сокращение, бицепс плеча человека, напротив, сокращается главным образом а изотоническом режиме. Однако динамическая работа, обеспечи- Рис. 5.17. Одиночное изотоническое укорочение и кривая сила - скорость а - одиночное изотоническое укорочение мышцы при различных нагрузках Р (изотоническое укорочение в % от исходной длины); б - зависимость скорости (V) укорочения мышцы от величины нагрузки Р при изотопическом сокращении (кривая сила-скорость); v - м/с; Р - Н . Площадь ОАБВ - оптимальная мощность мышцы при скорости укорочения 2,5 м/с 30 Биофизика вающая перемещение тела и его частей в пространстве, совершается преимущественно благодаря ауксотоническому типу мышечных со кращений, когда мышцы в процессе сокращения и укорачиваются, и напрягаются. Различают два режима сократительной деятельности скелетных мышц: одиночное и тетаническое сокращения. Первое из них (рис. 5.18) возникает в ответ на однократную стимуляцию. В нём чётко различа ют две стадии: 1) напряжение (укорочение) и 2) расслабление (удли нение). В соотношении их продолжительностей прослеживается так называемая золотая пропорция, свойственная гармонии в природе: в двухфазных процессах отношение продолжительности релаксирующей (восстанавливающей) части к длительности рабочей части равно 1,618. Этому же числу равно отношение времени полного цик ла сокращения к длительности релаксирующей части. Заметим, что в архитектуре и музыке золотая пропорция между составляющими элементами воспринимается как гармония. Она характерна для структуры и функционирования тела человека. При патологии золо тая пропорция нарушается. Различают быстрые и медленные мышечные волокна и в зави симости от преобладания тех или других - быстрые и медленные мышцы. Среди первых лидером является мышцы глазного яблока у них стадия напряжения в одиночном сокращении занимает 7 10 мс. У одной из самых медленных мышц - камбаловидной укоро чение затягивается до 50-100 мс. Режим одиночных сокращений устанавливается не только при однократной, но и при редкой ритмическойстимуляции, причём её максимальная частота, обеспечивающая одиночные сокращения, не одинакова для быстрых и медленных мышц. Если у медленных она ниже 10 Гц, то у быстрых достигает 50 Гц. В режиме одиночных со кращений мышца способна работать долго, но их амплитуда всегда меньше максимальных возможностей. При тетанических сокращениях, возникающих в ответ на рит мическую стимуляцию определенной частоты, мышца сокращается в 2 -4 раза сильнее, чем в режиме одиночных сокращений. Их ампли туда увеличивается благодаря наложению (суперпозиции) следую щих друг за другом одиночных сокращений. Их суперпозиция осо- Глава 5. Биофизика двигательной активности 31 Рис. 5.18. Режимы сократительной деятельности скелетных мышц: 1 - одиночное сокращение; 2 - зубчатый тетанус; 3 - гладкий тетанус бснно эффективна, когда последующий стимул приходит в фазу экзальтации предшествующего возбуждения. По мере повышения частоты стимуляции сначала развивается зубчатый тетанус, если последующий стимул поступает к мышце па стадии её расслабления (рис. 5.18), когда же интервал между сти мулами меньше длительности стадии укорочения мышцы, возникает гладкий тетанус (рис. 5.18). В быстрой мышце это происходит при частоте стимуляции 150-200 Гц, а в медленной - уже при 30 Гц. В патологии примером тетанических сокращений являются судоро ги. Работа в тетаническом режиме быстро приводит мышцу к утом лению, что проявляется вначале в уменьшении силы сокращений и удлинении стадии расслабления, а затем - в прекращении сократи тельной деятельности. При оценке усилий, создаваемых теми или иными мышцами, следует учитывать особенности их прикрепления к костям. Сочле нённые суставами, кости скелета вместе с мышцами, которые прикре пляются к ним в определённых точках, составляют опорно-двига тельный аппарат. Сила тяги, возникающая при сокращении мышц, приводит в движение кости, которые действуют как рычаги с точками опоры в суставах. Рычагом называется твёрдое тело, имеющее ось вращения. Он характеризуется моментом сил, равным произведению силы на плечо рычага, к которому она приложена. Различают рычаги двух типов (родов). У рычага первого рода силы направлены в одну сторону Рис. 5.19. Рычаги в опорно-двигательном аппарате человека а - р ы ч а г первого рода; б, в -р ы ч а ги второго рода и точка опоры (ось вращения) находится между точками приложения сил. Примером является сочленение черепа с первым позвонком (рис. 5.19, а). Условием равновесия такого рычага служит равенство моментов сил: F a = Р ■Ь, где Р - сила тяжести головы, b - плечо этой силы, F - сила тяги мышц и связок, прикрепляющихся к заты лочной кости, а - плечо этой силы. У рычага второго рода силы на правлены в противоположные стороны, а ось вращения расположена по одну сторону от точек приложения сил (рис. 5.19, б, в). Когда рассматривают движения в суставах, оценивают кинети1 2 ческую энергию ( W) вращающегося тела по формуле: W - ~1сй ,где / - массовый момент инерции тела относительно оси вращения, его угловая скорость. Момент инерции определяется произведением массы вращающегося тела на квадрат радиуса окружности, которую I /шва 5. Биофизика двигательной активности 33 ома описывает в плоскости вращения: / = ^ ( w r 2 ).Чем больше I, тем большая кинетическая энергия требуется для обеспечения враща тельного движения. Понятно, что I возрастает по мере удаления мас сы от оси вращения. Поэтому при движениях животных и человека энергия тратится более экономно, если масса мышечной ткани сосре доточена преимущественно в проксимальных частях конечностей (ближе к оси вращения, т.е. к суставу), а в дистальных частях - она невелика. У млекопитающих, способных к быстрому бегу, мощные бедра и сравнительно тонкие голени. Проводя отбор спринтеров, пе дагоги детских спортивных школ учитывают конституцию детей, прогнозируя лучшие скоростные качества при врождённом преобла дании бедренных мышц над мышцами голени. При прочих равных условиях нижние конечности таких людей обладают лучшими ско ростными качествами. 5.2 .2. Энергетика мышечного сокращения При сокращении мышцы химическая энергия превращается в механическую и тепловую. С помощью высокочувствительных тер мопар А. Хилл впервые измерил тепловые потери в этом процессе. При одиночном изометрическом сокращении мышцы выделяется энергия, равная 12,54 Дж • ki^1. При изотоническом сокращении об щее изменение энергии в мышце можно разбить на несколько компо нент. Быстрое начальное выделение теплоты происходит на самой ранней стадии активации сокращения, когда еще отсутствует замет ное укорочение мышцы. Это - теплота активации А. Она выделяет ся в результате освобождения ионов Са2+ из саркоплазматического рстикулума. По мере укорочения мышцы выделяется основное количество теплоты, которая называется теплотой укорочения Qy. Небольшая часть теплоты выделяется или поглощается при расслаблении мыш цы ±Qp. С учетом выполняемой механической работы W общий энер гетический баланс (Е) для мышцы будет E = A ± Q y + W ± Q p. I - 9844 (5.1) 34 Биофизика А. Хилл установил важный факт, что при изотоническом со кращении теплота укорочения Qy пропорциональна величине укоро чения ДL мышцы: Q y =CtAL, (5.2) где а - коэффициент теплоты укорочения. Так как W =PAL, (5.1) можно записать в следующем виде: E = A + a A L + P A L ± Q p = А + ( Р + a ) A L ± Q p. (5.3) Продифференцировав по времени (5.3), находим мощность мышцы dE ^dL ... N = — =( Р + а ) — = ( P + a ) V , dt dt .... (5.4) V - скорость укорочения мышцы. При одинаковом изменении длины мышцы скорость выхода на новый изометрический уровень уменьшается с увеличением нагруз ки Р. При этом избыточная мощность по сравнению с изометриче ской была пропорциональна Р0 - Р. На основании этого А. Хилл по лучил выражение: где (.P + a ) V = b ( P 0 - P ), (5.5) где b - константа; Р0 - максимальноеизометрическоенапряжение мышцы. Сравнивая (5.4) и (5.5), получим P V + a V = b P 0 -ЬР. (5.6) Таким образом, уравнение Хилла (5.6), полученное из термо динамических экспериментов, устанавливает связь между напряже нием и скоростью укорочения мышцы в изотонических условиях. Оно справедливо в стационарном режиме работы мышцы. Преобра зуем (5.6) следующим образом: PV+aV=bP0-ЬР (5.7) 35 I пава 5. Биофизика двигательной активности и перенесем переменные величины Р и V в левую часть уравнения. 11олучим P V + a V + ЬР = ЬР0. (5.8) Добавим слева и справа уравнения произведение постоянных Хилла ab: P V + a V + b P + a b = bP0 +ab. После чего получим преобразованное уравнение Хилла в сле дующем виде P + a ) ( V + b) = b(P0 + a)= con st. (5.9) Эта гиперболическая зависимость хорошо подтверждена экс периментально биомеханическими экспериментами. При нагрузке Р = Р0 мышца вообще не сокращается и V= 0. Ненагруженная мыш ца (Р = 0) сокращается с максимальной скоростью V0 и b = S L v 0. ■*о (5.10) ос Для портняжной мышцы лягушки — =0,25. Такое же значение Р* было получено для исчерченных мышц крысы, кошки, жабы и др. В более точных экспериментах А. Хилл установил, что пара метр а не является константой, а зависит от Р: а=О Д 6/,0 + 0Д8Р. (5.11) Это значит, что мощность сокращения мышцы зависит от Р нелинейно. 5.2 .3. Элементы теории мышечного сокращения Теория мышечного сокращения, особенно для поперечно-поло сатых мышц, в настоящее время хорошо разработана и подтвер 36 Биофизика ж дена экспериментально. Существенную роль в ней играет кинети ка ионов Са2+. Реакции, в которых участвует Са2+, изучаются в курсах биохимии. Рассмотрим реакции взаимодействия актина и миозина на ос нове теории В.И. Дещеревского. Предположим, что в данном поло жении миозиновой нити количество мостиков в разомкнутом, тяну щем и тормозящем состояниях соответственно равно: у, п, т (рис. 5.20). Константы скоростей перехода из свободного состояния в тянущее (замыкание мостиков) из тянущего состояния в тормо зящее (взаимное скольжение филаментов) к, из тормозящего в сво бодное (размыкание мостиков) к2. Второй закон Ньютона можно записать в виде: ^ = ( n - m ) f + P lt dt (5.12) где - импульс, даваемый одной миозиновойнитью на полусаркомере, / - сила,развиваемая нитью на полусаркомере, Р { - часть внешней нагрузки Р, приходящейся на эту нить в полусаркомере, t время. Полагая, что соединение актина и миозина есть химическая ре акция первого порядка, запишем скорость изменения количества мостиков в тянущем состоянии: — =к,у-кп. dt (5.13) Аналогично можно получить и уравнение реакции распада актин-миозинового комплекса: — = к п - к 7т. dt 2 Рис. 5.20. Кинетика перехода мостиков м еж ду состояниями (5.14) I пава 5. Биофизика двигательной активности 37 В стационарном состоянии производные по времени в уравне ниях (5.12) - (5.14) равны нулю. Следовательно, имеем три алгебраи ческих уравнения: ( n - m ) f - P x = 0, (5.15) k xy - k n = 0 , (5.16) k n - k 2m = 0. (5.17) Величину у можно выразить через т и п , используя общее ко личество мостиков на миозиновой нити полусаркомера 0 =const: у = 0 —п —т. (5.18) Следовательно, уравнение (5.16) примет вид: &,(0 - п - т ) - к п = 0 . (5.19) Решая систему (5.17), (5.19), находим: к , к пВ п = -------- !— ----------- , к х{кх +к ) + ккх (5.20) . и = -------М к 2( к х +к ) + ккх (5.21) Подставляя (5.20) и (5.21) в (5.15), находим: Р' + /7 ^ )) =7 ' )' (кхГ + к 2) ( к хГ+ткЬ 2) <в/' ' Р (5'22) Переход мостиков из тянущего в тормозящее состояние проис ходит в процессе развития ими силового эффекта. Константа скоро сти этого процесса к - это величина, обратная времени процесса t: к =- =- , (5.23) 38 Биофизика где и - скорость относительного скольжения актиновои и миози новой нитей, 5 - величина скольжения при однократной перестыков ке мостиков. Подставляя (5.23) в (5.22) и умножая уравнение (5.22) на коли чество полусаркомеров 2 N по длине мышцы и число миозиновых во локон в мышце N0, получим: ( к в л 2 N N a\ P + f — ^ | = 2 N N 0 - * 1* ; - '(8 / - Р х )• (*, + к 2) *, + К j 5 I (5.24) Учитывая, что скорость сокращения мышцы при последова тельном расположении саркомеров, V = 2Nu, а также сила, развивае мая мышцей Р = P tN0, получим: (.P + a ) V = b ( P - P 0), (5.25) где Р0 = N0Q f- сила, развиваемая мышцей при изометрическом со кращении: a = fE A 1®=_5>_> Л, + к 2 к г + к 2 b = 2 N b k ' kl . (5.26) (5.27) к\ + ki Уравнение (5.25) представляет собой известное эксперимен тально полученное уравнение Хилла для мышечного сокращения. 5 .3 . Биомеханика дыхания 5 .3 .1 . Легочная вентиляция Газообмен между альвеолярной газовой смесью и атмосфер ным воздухом, обеспечивающий эффективную диффузию кислорода и углекислого газа через альвеоло-капиллярную мембрану, осущест вляется благодаря работе аппарата вентиляции, который состоит из I пава 5. Биофизика двигательной активности 39 двух анатомофизиологических образований: грудной клетки с дыха тельными мышцами и лёгких с дыхательными путями. Грудная клетка представляет собой жёсткий подвижный фут ляр для лёгких, сердца и сосудов, обладающий упругостью. Грудная клетка активно изменяет свой объём посредством сокращения диа фрагмы и других дыхательных мышц. При сокращении диафрагмы сё купол уплощается и смещается в сторону брюшной полости, что приводит к увеличению объёма грудной клетки, а вслед за нею п лёгких. Согласно закону Бойля-Мариотта (р ■V = const), увеличе ние объёма лёгких неизбежно сопровождается понижением давления ниутри них. Оно становится ниже атмосферного (примерно на 6 мм. рт. ст., т.е. на 0,8 Па при форсированном вдохе) и воздух засасывает ся внутрь лёгких (в альвеолы). Так совершается вдох. При вдохе воздух поступает в трахею и затем по бронхам дос тигает альвеол. Все дыхательные пути в совокупности составляют гак называемую разветвлённую дыхательную трубку (рис. 5.21). В ней рассчитывают суммарные поперечные сечения каждой генера ции бронхов. Наименьшей площадью поперечного сечения обладает трахея (в среднем, 2,54 см2 у взрослого человека). Суммарное сече ние двух главных (левого и правого) бронхов больше этой величины. По направлению к альвеолам суммарное сечение каждой последую щей генерации бронхов становится всё больше. Так, площадь сум марного сечения всех бронхов 16-й генерации достигает 180 см2, а всех альвеолярных мешочков - 11800 см2. Для сплошного потока воздух по воздухоносным путям живот ных и человека в физиологических условиях выполняется условие не разрывности струи: при сплошном течении несжимаемой среды че рез любое сечение струи в единицу времени переносятсяодинаковые объёмы перемещаемой среды (в данном случае, воздуха). Примени тельно к разветвлённой дыхательной трубке это означает, что вели чина Q = V / 1 (объёмная скорость воздушного потока) одинакова во всех её суммарных поперечных сечениях (на уровне каждой генера ции). Между объёмной (Q) и линейной (ц) скоростями воздушного потока установлена следующая зависимость: Q = х> • S, где S - пло щадь суммарного сечения данной генерации бронхов. Отсюда следу ет вывод, что линейная скорость воздушного потока неодинакова 40 Биофизика Рис. 5.21. Схема разветвлённой дыхательной трубки в разных местах разветвлённой дыхательной трубки: в трахее - наи большая (порядка 1 м • с-1), в бронхах 16-й генерации - 0,01 м • с-1, в альвеолярных мешочках - менее 0,0002 м • с-1. Последняя величина меньше скорости диффузии воздуха. Поэтому считают, что на по следних 7 мкм воздухоносных путей воздух поступает к альвеолам по законам диффузии, а не конвекции (как на протяжении всех пре дыдущих участков разветвлённой дыхательной трубки). I нова 5. Биофизика двигательной активности 41 При спокойном дыхании глубина вдоха на 70-80% обеспечи вается сокращением диафрагмы, а на 20-30% - сокращением наруэ/сиых меж рёберных мышц. Усиление дыхания связано с включением в работу вспомогательных дыхательных мышц (мышц шеи и плече вого пояса, прикрепляющихся к грудной клетке). Они могут способ ствовать форсированию как вдоха, так и выдоха. В форсированный выдох наибольший вклад вносят внутренние межрёберные мышцы н мышцы живота (брюшной пресс). При спокойном дыхании сокра щение дыхательных мышц обеспечивает только вдох, тогда как вы дох совершается пассивно - за счёт возникновения (при вдохе) силы упругости как в лёгких, так и в тканях грудной клетки. Мощность дыхательной мускулатуры при спокойном дыхании составляет 0,05 Вт, а при форсированном дыхании возрастает на порядок. В пер вом случае на энергообеспечение дыхательных мышц затрачивается всего 2%, тогда как во втором - более 20% поглощённого организ мом кислорода. Последовательность биофизических процессов, обеспечиваю щих вентиляцию лёгких, можно представить в виде следующей схемы: акт вдоха: поступление нервного импульса к дыхательным мышцам —> синаптическая (нервно-мышечная) передача —» сокраще ние дыхательных мышц —» увеличение объёма грудной полости —> увеличение объёма лёгких -» снижение давления в лёгких (по закону Бойля-Мариотга) —> всасывание воздуха из атмосферы в лёгкие; акт выдоха: расслабление дыхательных мышц (вслед за сокра щением при вдохе) —> уменьшение объёма грудной полости —» уменьшение объёма лёгких —» повышение давления в лёгких (по за кону Бойля-Мариотга) —» выдавливание воздуха из лёгких в атмо сферу. Основной вклад в эластические свойства грудной клетки вно сит упругость рёбер, особенно их хрящевых частей, и дыхательных мышц. Эластическое сопротивление грудной клетки зависит от сте пени их растяжения, а она, в свою очередь, повышается с увеличени ем объёма лёгких (эта зависимость близка к параболической). При заполнении лёгких примерно на 55% их максимального объёма (VimJ эластические структуры грудной клетки полностью расслаблены. 42 Биофизика Увеличение объёма лёгких (относительно 55% Fmax) приводит к рас тяжению эластических (упругих) компонентов грудной клетки, а уменьшение - к их сжатию. Как растяжение, так и сжатие происхо дят только при сокращении дыхательных мышц (в первом случае мышц вдоха, во втором - мышц форсированного выдоха). Сила упругости в лёгких, которая заставляет их спадать на вы дохе, называется эластической тягой лёгких — ЭТЛ. Она имеет два основных компонента. Во-первых, тканям лёгких присущи упругие свойства (они зависят не только от коэффициента упругости их ком понентов как таковых, но и от степени кровенаполнения лёгких, от тонуса гладкомышечных волокон и т.д.). Вторым компонентом ЭТЛ является сила поверхностного на тяжения, возникающая на границе между альвеолярной газовой смесью и внутренней поверхностью альвеол, выстланной слоем жид кости. Давление (р), создаваемое поверхностным натяжением, вы числяют по формуле Лапласа: р = — , где г - радиус альвеолы (её г форма близка к усечённой сфере), - коэффициент поверхностного натяжения. Под действием этого давления газы, находящиеся в альвеоле и сжимаемые им, стремятся покинуть её и выйти через дыхательные пути наружу. Средний радиус альвеолы составляет 100-150 мкм, а на вдохе около 0,05 Н м-1. Следовательно, давление, обусловленное поверхностным натяжением, достигает на вдохе 800 Па. Им обеспе чивается от 50 до 70% всей энергии выдоха. Вторая часть (30-50%) приходится на силу упругости, развивающуюся при деформациях лёгочной паренхимы, воздухоносных путей, тканей грудной клетки. Зависимость силы упругости, возникающей при деформациях легочной паренхимы и стенок воздухоносных путей, от величины де формации описывается линейными функциями. Упругость обуслов лена преимущественно эластическими волокнами, растягивающими ся в лёгочной паренхиме при дыхании (на вдохе). При этом коллагеновые волокна, уложенные волнообразно («со слабиной»), только распрямляются, но не растягиваются. Их миссия состоит в обеспечении прочности (при перерастяжении лёгочной ткани). Су Глава 5. Биофизика двигательной активности 43 хая масса лёгких состоит на 20% из коллагена и на 5-12% из эласти на. Минимальное разрушающее напряжение лёгочной паренхимы составляет 6 • 103 Па, а предел текучести - 4 • 103 Па. Лёгкие ведут себя как пластические тела. Энергия сокращающихся дыхательных мышц затрачивается не только на преодоление эластического сопротивления грудной клетки п лёгких. Значительны энерготраты на преодоление сил сопротивле ния движению воздуха по дыхательными путям. Они зависят от ха рактера воздушного потока. При ламинарном движении силы сопро тивления пропорциональны объёму перемещающегося воздуха в единицу времени, а при турбулентном - почти квадрату этого объёма. При спокойном дыхании в бронхах преобладает ламинарный воздушный поток. Когда лёгочная вентиляция усиливается (напри мер, во время физической работы) или возникает спазм бронхов, движение воздуха может стать турбулентным. Это ведет к усилению шерготрат, связанных с дыханием. Энергия, затрачиваемая дыхательной мускулатурой на осуще ствление спокойного дыхания, ежеминутно составляет 2-3,5 Дж, причём 70% этой энергии расходуется на преодоление эластического сопротивления грудной клетки и лёгочной ткани, а остальные 30% идут на совершение работы по перемещению воздуха против сил трения, которые пропорциональны скорости перемещения воздуш ной массы. Поэтому второй компонент энерготрат возрастает при учащении дыхания. Благодаря работе дыхательных мышц преодоле вается так называемый лёгочный резистанс, т.е. сопротивление воз духоносных путей колебаниям потока воздуха в них. Оно составляет сравнительно небольшую величину - 0,2 Па • с • мл-1. Сравните её с аналогичным показателем в гемодинамике. Величина, обратная лёгочному резистансу, называется растяж имостью (комплансом). У взрослого человека она составляет 200 мл ' ( с м н о ) , а у детей меньше. Сурфактант увеличивает растяжимость. Сила сокращений дыхательной мускулатуры при вентиляции легких направлена на преодоление упругих и вязких сопротивлений. При очень медленном дыхании вязкие сопротивления весьма невели ки, и поэтому соотношение между объемом и эффективным давлени 44 Биофизика ем в дыхательной системе почти целиком определяется упругими (эластическими) свойствами легких и грудной клетки. Для того что бы построить статические кривые объема-давления, необходимо ис ключить влияния дыхательной мускулатуры. Лишь при этом условии можно исследовать действие упругих сил в отдельности. Для этого либо исследуемый должен научиться на короткий срок полностью расслаблять дыхательные мышцы, либо следует применять миорелаксанты в сочетании с искусственным дыханием. Статические кривые «объем-давление» для дыхательной сис темы в целом, т.е. для легких и грудной клетки, можно построить следующим образом. Пациент вдыхает из спирометра определенный объем воздуха (при этом носовые пути должны быть перекрыты). За тем соединение со спирометром перекрывается, и испытуемый как можно глубже расслабляет дыхательные мышцы при открытой голо совой щели. При этом посредством датчика, соединенного со ртом пациента, можно измерить давление, оказываемое на альвеолы со стороны сил упругости легких и грудной клетки {релаксационный метод измерения давления). Разность давлений между альвеолярным и атмосферным воздухом называется альвеолярным давлением Ра. На рис. 5.22 изображена типичная кривая зависимости альвео лярного давления от объема легких, полученная при помощи описан ного выше метода. Эта релаксационная кривая легких и грудной клетки имеет S'-образную форму, причем ее участок, приближаю щийся к линейному, соответствует большинству значений, в преде лах которых изменяются объем и давление в легких при нормальном дыхании. Следовательно, упругое сопротивление дыхательной сис темы при вдохе в этих пределах почти постоянно. Часть общего упругого сопротивления, приходящуюся на долю упругого сопротивления грудной клетки (в том числе опорного аппарата, мышц и внутренностей брюшной полости), можно опреде лить по разнице между атмосферным и внутриплевральным давлени ем. Как указывалось выше, эту разницу принято сокращенно назы вать давлением в плевральной полости Р хт. Если при проведении измерений, о которых шла речь выше, одновременно регистрируется давление в плевральной полости (или пищеводе) при различных зна чениях объема легких, то можно построить релаксационную кривую Гпава 5. Биофизика двигательной активности 45 Давление см Н20 Рис. 5.22. Статические кривые «объем-давление» для дыхательной системы в целом и легких и грудной клетки в отдельности. Р„_, - плевральное давление; Ра - альвеолярное давление; Ж Е Л - жизненная емкость легких; 0 0 - остаточный объем; ФОЕ - функциональная остаточная емкость. Кривые получены путем измерения давлений при пассивных изменениях объема легких в условиях расслабленной дыхательной мускулатуры. На врезках показано направление действия эластических сил грудной клетки и легких при различных объемах грудной клетки. Как видно из рис. 5.22, наклон этой кривой возраста ет с увеличением давления (и легочного объема). Часть общего упругого сопротивления, создаваемую эластиче ской тягой легких, можно определить по разнице между альвеоляр ным давлением и давлением в плевральной полости (Ра- Р ш). Кривая зависимости этой разности от легочного объема - это релаксацион ная кривая легких, отражающая их упругие свойства. Наклон этой кривой снижается при увеличении объема легких (и соответственно величины Р а - Р,ш). 46 Биофизика Сравнение всех трех кривых на рис. 5.22 позволяет оценить влияние различных упругих сил при разной степени наполнения лег ких. Состояние равновесия всех упругих сил для дыхательной систе мы в целом (Ра = 0) наблюдается в конце выдоха, когда объем легких соответствует функциональной остаточной емкости (ФОЕ). В этом случае силы, расправляющие грудную клетку, и эластические силы легких, под действием которых они стремятся спасть, уравновешива ют друг друга. Когда при вдохе объем легких увеличивается, их эла стическая сила, направленная внутрь, возрастает, а сила упругости грудной клетки, направленная наружу, снижается. При объеме лег ких, равном около 55% жизненной емкости, наблюдается состояние равновесия для грудной клетки (Рт = 0). При дальнейшем увеличе нии легочного объема направление силы упругости грудной клетки меняется на противоположное. Поскольку растяжимость есть величина, обратная упругому со противлению растяжения, это сопротивление для дыхательной систе мы в целом равно сумме упругих сопротивлений грудной клетки (R t.J и легких (Rn). Как видно из рис. 5.22, наклон релаксационной кривой (а, сле довательно, и растяжимость) дыхательной системы (грудной клетки и легких) больше в области значений, соответствующих спокойному дыханию. У здорового взрослого человека растяжимость дыхатель ной системы и ее компонентов при спокойном дыхании составляет: С = 0,1 л/см вод. ст. = 1 л/кПа, Сгк = 0,2 л/см вод. ст. = 2 л/кПа, Сл = = 0,2 л/см вод. ст. = 2 л/кПа, где С - растяжимость всего аппарата внешнего дыхания, - растяжимость грудной клетки, Сл - растя жимость легких. Эти величины связаны соотношением: —= _ L +_ L . С '■"П С С с (5.28) Любое изменение этих величин, а особенно их снижение при патологии, имеет диагностическое значение. Однако точно измерить растяжимость трудно, так как при ее определении дыхательная мус кулатура должна быть полностью расслаблена. Поэтому часто огра ничиваются измерением растяжимости легких, используя более про 47 Гпава 5. Биофизика двигательной активности стой способ, который заключается в том, что исследуемый вдыхает определенный объем воздуха, а затем при помощи дыхательных мышц фиксирует грудную клетку при открытой голосовой щели. В этих условиях давление в альвеолах равно атмосферному (т.е. Ра = = 0 ) и тогда С л = - AV ( 5.29) ш пл Таким образом, для определения растяжимости легких доста точно измерить изменение внутриплеврального давления (или, про ще, виугрипищеводного давления) и подставить полученные цифры в это уравнение. При этом вычисляют так называемую статическую растяжимость легких, зависящую не только от их эластических свойств, но также от их объема. При прочих равных условиях изме нение объема меньше при меньшем исходном объеме. У детей в воз расте 9-12 лет растяжимость в 2-3 раза ниже, чем у взрослых. В свя зи с этим при диагностическом определении растяжимости легких необходимо учитывать их исходный объем, т.е., как правило, функ циональную остаточную емкость (ФОБ). Для этого используют так называемую специфическую растяж имость легких'. 1 AV С л(ст = ----- ------ — ■ Л(СП) ФОБ АРШ (5-3°) Если бы при вдохе приходилось преодолевать только упругое сопротивление, то изменения объема легких в любых пределах были бы примерно пропорциональны изменениям внутриплеврального давления; на диаграмме «давление-объем» подобные взаимоотноше ния выглядят в виде восходящей прямой (рис. 5.23, I). При выдохе значения отношений объема к давлению лежат на той же прямой, но в эту фазу дыхательного цикла она уже нисходящая. Однако в связи с влиянием вязкого сопротивления кривая «дав ление-объем» при вдохе становится выпуклой кверху (рис. 5.23, II). Это означает, что при вдыхании одного и того же объема воздуха виутриплевралыюе давление при наличии вязкого сопротивления 48 Биофизика должно быть более отрицательным, чем в случае, если бы объем был прямо пропорционален давлению. Только после того, как вдох завер шается (точка В), кривая вдоха совпадает с прямой АВ, ибо в этот мо мент дыхательные движения отсутствуют и действуют только силы упругости. Кривая «давление-объем» для выдоха под влиянием вяз ких сопротивлений образует выпуклость книзу, возвращаясь к исход ной точке (точка А) лишь в конце выдоха. Таким образом, динамиче ская диаграмма «давление-объем» имеет форму петли. На рис. 5.23, II изображена диаграмма для спокойного дыха ния. При более глубоком и быстром дыхании форма петли этой диа граммы несколько изменяется (рис. 5.23, III), поскольку дыхание ста новится глубже и осуществляется быстрее (наклон инспираторной и экспираторной кривых круче). Увеличение выпуклости этих кри вых обусловлено тем, что при быстрых изменениях внутриальвеолярного давления объемная скорость воздушного потока возрастает недостаточно быстро. Таким образом, при большой скорости дыха тельных движений вязкое сопротивление воздухоносных путей игра ет большую роль, чем при спокойном дыхании. У человека со здоровыми легкими диаграмму «давление-объ ем» можно использовать для вычисления их растяжимости. Посколь ку в поворотных точках А и В дыхательные движения отсутствуют, параметры этих точек отражают действие статических упругих сил легких. Следовательно, наклон прямой, соединяющей точки А и В, т.е. A V/AP, соответствует растяжимости легких Сл. В случае, пред ставленном на рис. 5.23, Сл = 0,2 л/см вод. ст. Однако при заболева ниях легких этот метод определения растяжимости не применяется, так как из-за увеличенного сопротивления не все альвеолы успевают равномерно заполниться воздухом за время вдоха. При этом в точках А и В статическое состояние не достигается. В связи с этим у лиц с легочной патологией растяжимость легких можно определить толь ко статическим методом, требующим задержки дыхания. На рис. 5.24 показана схема установки для одновременного из мерения давления и объема. По оси абсцисс отложено давление в плевральной полости, или в данном случае разница между атмо сферным и внутрипищеводным давлением, по оси ординат - дыха тельные объемы, измеряемые при помощи либо спирометра, либо Гпава 5. Биофизика двигательной активности 49 Рис. 5.23. Диаграмма «давление-объем», соответствующая одному дыхательному циклу: I -условн ая диаграмма, которая могла бы быть получена при отсутствии вязких сопротивлений; I I - нормальная диаграмма для спокойного дыхания; I I I - диаграмма глубокого быстрого дыхания. И - в д о х (инспирация), Э - выдох (экспирация). Работу, совершаемую при дыхании, можно разделить на ряд компонентов. Светлые участки соответствуют работе, совершаемой при вдохе против упругих сопротивлений, заштрихованные участки соответствуют работе, совершаемой при вдохе и выдохе против вязких сопротивлений, темные участки соответствуют работе, совершаемой при выдохе экспираторными мышцами интегрирующего пневмотахографа. Обычно производится одновре менная запись обоих показателей. Их преобразуют в электрические сигналы и подают на двухкоординатный регистратор. При этом не посредственно вычерчивается диаграмма «давление-объем» интегри рующего пневмотахографа. В настоящее время не существует общей договоренности отно сительно того, в каком виде следует представлять диаграммы «давле ние-объем». Иногда меняют местами оси абсцисс и ординат или же откладывают цифровые значения по оси абсцисс в обратном поряд ке. Однако все это не влияет на диагностическую ценность диаграм мы давления-объема (если только она правильно построена). С физической точки зрения работа по преодолению упругих и вязких сопротивлений равна произведению давления на объем. Та кая величина имеет ту же размерность, что и произведение силы на перемещение. Если в процессе совершения работы давление изменя ется, то вместо его произведения на объем необходимо использовать интеграл \PdV. Большое достоинство диаграмм «давление-объем» 4 - 9844 50 Биофизика Двухосевой регистратор Рис. 5.24. Схема установки для непосредственной записи диаграмм давления-объема. По оси х двухосевого регистратора откладывается разность меж ду давлением в полости рта и пищеводным давлением (соответствующим давлению в плевральной полости). Одновременно по оси у записывается объем дыхания, зарегистрированный при помощи интегрирующего пневмотахографа состоит в том, что площадь таких диаграмм равна этому интегралу, т.е. общей работе дыхательного аппарата. Так на рис. 5.23, III светлый участок соответствует работе про тив упругих сил. Как при вдохе, так и при выдохе (т.е. в динамических условиях) необходимо затрачивать дополнительную работу по пре одолению вязких сопротивлений. Площади, соответствующие этой работе, на рис. 5.23, III заштрихованы. При спокойном дыхании (рис. 5.23, II) работа по преодолению вязких сопротивлений (АВЭА) меньше, чем потенциальная энергия растянутых легких, обусловлен ная их упругостью (АВСА). В связи с этим выдох может осуществлять ся чисто пассивно, т.е. без участия экспираторных мышц. Иная карти на наблюдается при ускоренном дыхании (рис 5.23, III): часть работы, соответствующая темному участку диаграммы, должна совершаться за счет вспомогательной экспираторной мускулатуры. Гпава 5. Биофизика двигательной активности 51 При спокойном дыхании на работу дыхательных мышц затра чивается примерно 2% поглощенного кислорода. Однако при физи ческой нагрузке энергетические потребности дыхательных мышц возрастают в большей степени, чем минутный объем дыхания и по глощение 0 2. В связи с этим при тяжелой физической работе на дея тельность дыхательной мускулатуры затрачивается до 20% общего потребления кислорода. 5.3.2. Показатели легочной вентиляции Энерготраты на преодоление эластического сопротивления органов дыхания почти не зависят от скорости движения воздуха, а значит, и от частоты дыхания. Они определяются объёмом возду ха, поступающего в лёгкие при вдохе, т.е. глубиной дыхания. Неоди наковая зависимость каждого из компонентов работы дыхательного аппарата от частоты и глубины дыхания приводит к установлению оптимального соотношения между ними, при котором работа под держивается на минимальном уровне при данном объёме вентиля ции. В условиях физического покоя глубина дыхания (дыхательный объём) составляет 0,5 л, а частота - 12-16 мин-1 (у детей - 2 0 30 мин-1, а у новорождённых - 40-50 мин-1). Произведение глуби ны дыхания (дыхательного объёма) на его частоту (в расчете на 1 мин) определяет минутный объём дыхания (МОД). При спокойном дыхании он составляет 6-8 л • мин-1, а при тяжёлой физической на грузке увеличивается более чем до 100 л ■мин-1 благодаря углубле нию и учащению дыхания. Между длительностями вдоха и выдоха существует золотая пропорция (/вдох „ ВЬ1Д0Х: ?ВЬ1Д0Х = гвыдох: /вдох = 1,618). Глубина и частота дыхания широко варьируют в зависимости от потребностей организма. В покое дыхательный объем мал по сравнению с общим объемом воздуха в легких. Таким образом, чело век может как вдохнуть, так и выдохнуть большой дополнительный объем. Однако даже при самом глубоком выдохе в альвеолах и воз духоносных путях легких остается некоторое количество воздуха. Для того чтобы количественно описать все эти взаимоотношения, общую емкость легких разделили на несколько компонентов (объе 52 Биофизика мов и емкостей). При этом под термином емкость понимают сово купность двух и более объемов. Дыхательный объем - объем воздуха, который человек вдыха ет и выдыхает при спокойном дыхании. Резервный объем вдоха —объем воздуха, который человек мо жет дополнительно вдохнуть после нормального вдоха. Резервный объем выдоха — объем воздуха, который человек может дополнительно выдохнуть после спокойного выдоха. Остаточный объем - объем воздуха, остающийся в легких по сле максимального выдоха. Ж изненная емкость легких - объем воздуха, который можно выдохнуть после максимального вдоха (равна сумме первых трех). Функциональная остаточная емкость - объем воздуха, остаю щийся в легких после спокойного выдоха (равна сумме резервного объема выдоха и остаточного объема). Общая емкость легких - объем воздуха, содержащийся в лег ких на' высоте максимального вдоха (равна сумме остаточного объе ма и жизненной емкости легких). Из параметров легочной вентиляции наибольшее практическое значение имеют дыхательный объем, жизненная емкость легких и функциональная остаточная емкость. Жизненная емкость легких (ЖЕЛ) является показателем подвижности легких и грудной клетки. Несмотря на ее название, она не имеет жизненно важного значения, так как даже при самых высоких потребностях, предъявляемых орга низмом к дыхательной системе, глубина дыхания никогда не дости гает максимально возможного значения. С практической точки зрения нецелесообразно устанавливать «единую» норму для ЖЕЛ, так как эта величина зависит от ряда фак торов, и в частности от возраста, пола, размеров и положения тела и степени тренированности. Как видно из рис. 5.25, жизненная емкость легких с возрастом (особенно после 40 лет) уменьшается. Это связано со снижением эла стичности легких и подвижности грудной клетки. У женщин ЖЕЛ в среднем на 25% меньше, чем у мужчин. Совершенно очевидно, что ЖЕЛ зависит от роста, так как величина грудной клетки пропор циональна остальным размерам тела. У молодых людей ЖЕЛ можно 53 Гпава 5. Биофизика двигательной активности вычислить, исходя из следующего эмпирического уравнения: ЖЕЛ (л) = 2,5 ■рост (м). Таким образом, у мужчины ростом 180 см жизненная емкость легких должна составлять примерно 4,5 л. ЖЕЛ зависит от поло жения тела: в вертикальном положении она несколько больше, чем в горизонтальном (это связано с тем, что в вертикальном положении в легких содержится меньше крови). Наконец, жизненная емкость легких зависит от степени тренированности: у лиц, занимающихся такими видами спорта, где необходима выносливость, ЖЕЛ значи тельно выше, чем у нетренированных людей. Она особенно велика у пловцов и гребцов (до 8 л), так как у этих спортсменов сильно раз виты вспомогательные дыхательные мышцы (большие и малые груд ные). Определение жизненной емкости легких имеет значение глав ным образом для диагностики. Функциональная остаточная емкость. Физиологическое зна чение функциональной остаточной емкости (ФОЕ) состоит в том, что благодаря наличию этой емкости в альвеолярном воздухе вы равниваются колебания содержания 0 2 и С 0 2, связанные с разной концентрацией этих газов во вдыхаемом и выдыхаемом воздухе. Если бы атмосферный воздух поступал непосредственно в альвео лы, не смешиваясь с воздухом, уже содержащимся в легких, то содержание 0 2 и С 0 2 в альвеолах претерпевало бы колебания в со ответствии с фазами дыхательного цикла. Однако этого не происхо- 0 20 40 60 80 годы Рис. 5.25. Кривые зависимости общей и жизненной емкости легких и остаточного объема от возраста для людей среднего роста 54 Биофизика дит - вдыхаемый воздух смешивается с воздухом, содержащимся в легких, и, поскольку ФОЕ в несколько раз больше дыхательного объема, изменения состава альвеолярной газовой смеси относи тельно невелики. ФОЕ равна сумме остаточного объема и резервного объема вы доха, и величина ее зависит от ряда факторов. В среднем у молодых людей она составляет 2,4 л, а в более пожилом возрасте - 3,4 л. У женщин ФОЕ примерно на 25% меньше, чем у мужчин. Анатомическим мертвым пространством называют объем воздухоносных путей —трахеи, бронхов и бронхиол вплоть до их пе рехода в альвеолы. Это пространство является «мертвым» лишь в том смысле, что в нем не происходит газообмена. Однако структу ры, образующие мертвое пространство, выполняют важные вспомо гательные функции - они обеспечивают вентиляцию легких и очи щение, увлажнение и согревание вдыхаемого воздуха. . Вдыхаемый воздух частично очищается уже при прохождении через носовую полость, слизистая оболочка которой улавливает мел кие частицы, пыль и бактерии. В связи с этим лица, постоянно дыша щие через рот, наиболее подвержены воспалительным заболеваниям дыхательных путей. Важную роль в очищении воздуха играет эпите лий воздухоносных путей. В результате ритмических движений его ресничек слизь и погруженные в нее мелкие частички удаляются по направлению к глотке. Более крупные частицы, попавшие в воздухо носные пути, раздражают их и вызывают кашель, при этом они вы брасываются со струей воздуха. Выдыхаемый воздух на 70% насы щен водяными парами. При вдохе воздух увлажняется уже в верхних дыхательных путях, в значительной степени насыщаясь водяными парами в носу и гортани. В нижних дыхательных путях насыщение водяными парами достигает 100%. Одна из функций дыхательных путей состоит в согревании вдыхаемого воздуха. Длительность вдоха достаточно велика для того, чтобы к моменту поступления в легкие воздух нагрелся почти до температуры тела. В связи с этим температура выдыхаемого воз духа обычно составляет 37° С. Измерение объема мертвого пространства. Экспираторный дыхательный объем (Уэ) состоит из двух компонентов: объема воз 55 Гпава 5. Биофизика двигательной активности духа, поступающего из мертвого пространства ( FJ, и объема воздуха из альвеолярного пространства (VJ: v3=vu±va. (5.31) Для изучения функции легких важно измерить оба этих компо нента отдельно. При этом, как и для определения функциональной остаточной емкости, используют непрямые методы. Они основаны на том, что содержание дыхательных газов ( 0 2 и С 0 2) в воздухе из мертвого и альвеолярного пространства различно. Содержание газов в воздухе мертвого пространства аналогично содержанию в воздухе, поступившем при вдохе (инспирации) (FJ. Содержание же газов в воздухе из альвеолярного пространства такое же, как и в самой аль веолярной газовой смеси (FJ. Если выразить парциальный объем газа в виде произведения общего объема газовой смеси V и содержа ния этого газа F, то для любого дыхательного газа будет справедливо равенство: V J73= V MF „ + V aFa (5.32) где V3 - экспираторный объем; VM- объем мертвого пространства; Ка - выдыхаемый объем воздуха из альвеолярного пространства; F3содержание газа в выдыхаемом воздухе; F a - содержание газа в аль веолярном воздухе, Fu - то же при выдохе. В соответствии с выражением (5.31) Fa можно представить, как V - V : Г Э Г М • V3 - F3= V MF » ± ( V 3- V M)Fa, (5.33) или после преобразования Vм Fэ - F Vэ V и- V а а (5.34) Это равенство, называемое уравнением Бора, справедливо для любого дыхательного газа. Однако для С 0 2 его можно упростить, так как содержание этого газа во вдыхаемом воздухе F uC0^ близко к 0: 56 Биофизика V м Vэ ' F a C 02 -F эС 02 3 5 *) F аС 02 1 Отношение объема мертвого пространства к экспираторному объему можно вычислить, исходя из уравнения (5.34) или (5.35). Зна чения объемных содержаний газов, представленные в правой части уравнения, можно определить путем газового анализа. Пусть газо вый анализ дал следующие числа: F aCO = 0,056; F3CO = 0,04 мл С 02 на 1 мл смеси. Отсюда VJV 3 = 0,3, т.е. объем мертвого пространства составляет 30% от экспираторного объема. Минутный объем дыхания, т.е. объем воздуха, вдыхаемый (или выдыхаемый) за 1 мин, равен по определению произведению дыха тельного объема на частоту дыхательных движений. Экспираторный объем обычно несколько меньше инспираторного, так как поглоще ние С 0 2 больше, чем выделение С 0 2 (дыхательный коэффициент < 1). Таким образом, для большей точности следует различать инспираторный и экспираторный минутный объем дыхания. При расчетах венти ляции принято исходить из экспираторных объемов, помечаемых «э». Экспираторный минутный объем дыхания V3 составляет V, = V J , (5-36) где точка над символом означает, что речь идет об этой величине за единицу времени; V3 - экспираторный дыхательный о б ъ е м ;/- час тота дыхательных движений. Как уже говорилось, частота дыхателышх движений у взрос лого человека в покое в среднем равна 14 в 1 мин. Эта величина мо жет претерпевать значительные колебания (от 10 до 18 в 1 мин). У детей она достигает 20-30 в 1 мин; у грудных - 30-40 в 1 мин, а у новорожденных - 40-50 в 1 мин. У взрослого человека при дыхательном объеме 0,5 л и частоте дыхания 14 в 1 мин минутный объем дыхания равен 7 л. При физиче ской нагрузке в соответствии с увеличением потребности в кислороде повышается и минутный объем дыхания, достигая в условиях макси мальной нагрузки 120 л в 1 мин. Основные показатели дыхания у здо рового молодого человека и их отклонения представлены в таблице 5.1. 57 Глава 5. Биофизика двигательной активности Таблица 5.1 Показатели дыхания у здорового молодого человека (площадь поверхности тела 1,7 м2) в покое. Отклонения от этих показателей и факторы, влияющие на них, обсуждаются в тексте Легочные объемы, л. Общая емкость 6,0 Жизненная емкость 4,5 Функциональная остаточная емкость 2,4 Остаточный объем 1,2 Дыхательный объем 0,5 Параметры вентиляции Частота дыхания 14 мин-1 Минутный объем дыхания 7 л/мин Альвеолярная вентиляция 5 л/мин Параметры механики дыхания Внутриплевральное давление В конце выдоха - 4 см вод. ст (-0,4 кПа) В конце вдоха -6 ,5 см вод. ст (-0,65 кПа) Растяжимость легких 0,2 л на 1 см вод. ст. (2 л/ кПа) Растяжимость легких и грудной клетки 0,1 л на 1 см вод. ст. (1 л/ кПа) Сопротивление дыханию 0,15 см вод. ст. • с-1 • л-1 (0,15 кПа • с-1 • л-1) 5 .3 .3 . Моделирование дыхания Исследование закономерностей распределения PQ в тканях с помощью математических моделей были начаты еще в 1915 г. Эр лангом и Крогом. Модель тканевого цилиндра, предложенная Крогом в 1936 г., используется и в настоящее время. В результате дальнейше го развития в этом направлении модели диффузионных процессов су щественно усложнены и приближены к реальным условиям газообме на и кровообращения различных тканей организма. Математическую модель распределения кислорода и углекислоты в головном мозге разработал Ю.Я. Кисляков в содружестве с К.П. Ивановым. При построении модели приняты следующие основные допу щения: а) распределение кислорода рассматривается в пространстве ячейки, включающей капиллярную сеть, нервную клетку и окружаю щую ее ткань; б) в капилляре перенос кислорода в осевом направле 58 Биофизика нии с током крови значительно превышает его диффузию; в) зависи мость между степенью насыщения крови кислородом и уровнем его напряжения описывается кривой диссоциации оксигемоглобина; г) распределение кислорода в радиальном сечении капилляра равно мерно; д) транспорт кислорода из капилляра в ткань осуществляется за счет диффузии по его концентрационному градиенту, который применительно к газам называют градиентом напряжений. В моде ли учтено различие потребления кислорода нервными клетками и ок ружающей тканью. Распределение напряжения ( U) кислорода в ткани мозга в ста ционарных условиях описывается уравнением диффузии: (5.37) где . т - потребление кислорода; D 0 - коэффициент диффузии; а 0 - растворимость кислорода в ткани мозга; х, у, z - пространст венные координаты; Д - оператор Лапласа; Р0 - напряжение кисло рода в крови. Распределение Р0 в каждом капилляре Р к0 ячейки, содержа щей N капилляров с суммарным потреблением кислорода, равным М, описывается следующими уравнениями: (5.38) п = а ,( Я Ю 2)2 + а 2(Н Ь 0 2) + а 3, a i = 6 ,Л со 2 + с п *'= 1,2,3, ньо7= — 100, 2 (5.39) (5.40) (5.41) КЕ (5.42) dl U 59 Гпава 5. Биофизика двигательной активности vUr АС = ------- ^ --------. (5.43) Л =1 Здесь С - содержание кислорода в единице объема; А С - арте риально-венозная разность содержания кислорода; г - радиус капил ляра; v - линейная скорость движения крови; К Е - кислородная ем кость крови; bjt с, - эмпирические коэффициенты аппроксимации кривых диссоциации оксигемоглобина; U - суммарный градиент Р0 между капилляром и окружающей тканью в плоскости, перпендику лярной оси капилляра: U (5.44) о где L - длина капилляра; / - расстояние по оси капилляров от арте риального конца; U] - среднее значение Р0 в точках нервной ткани, вблизи поверхности капилляра. Граничные условия налагаются в предположении равенства нулю градиентов Р0 на границах ячейки s по направлению к нормали: ^1= 0an (5.45) Расчет распределения PQ проведен на ПЭВМ для модели ячей ки капиллярной сети (рис. 5.26). С помощью этой модели можно оп ределить особенности, вносимые нервной клеткой в распределение /J0 , исследовать влияние направления кровотока в капиллярах на распределение Р0 и условия функционирования клеток различной величины. При моделировании использованы экспериментальные данные о расположении капилляров в направлении кровотока, полу ченные с помощью методики прижизненного микроскопирования. Исследования с помощью математической модели транспорта кислорода в ткани скелетной мышцы (рис. 5.27) выполнены Е.Г. Лябах. Уравнения транспорта кислорода имеют вид: 60 Биофизика Рис. 5.26. Модель ячейки капиллярной сети с шаровидной нервной клеткой (трубками показаны капилляры, штрихами - окружающая ткань) РЛО,Р\го2 ~ напряжения кислорода в артериальной и венозной крови; АА, ВВ - вспомогательные линии У\ А В В V В А Рис. 5.27. Модель кислородного снабжения скелетной мышцы А, В - артериальные и венозные концы капилляров 61 Гпава 5. Биофизика двигательной активности (5.46) — + — + — = — f(P), Э х2 Э у2 Эz2 o D mAVD эс, 3z А +д А Эх v /r, J0 t Э х Эу by ) (5.47) j (5.48) (5.49) C,<0) = Са(или Ci(L) = Ce), (5.50) / (P )dxdydz, Л£>К Q X V z где Q - кровоток; P - напряжение кислорода в крови Р0 ; С, - со держание кислорода; v;, г, - линейная скорость крови и радиус попе речного сечения /'-го капилляра из общего числа т капилляров; п нормаль к поверхности; / (Р ) - фактор подавления потребления ки слорода при гипоксии (0 < / (Р) < 1). Зависимость Р0^ в крови от содержания 0 2 описывается выра жением p = (-M W ( c + o .o Wg)) ^ (5.51) 0,039 Множество численных значений N решений системы уравне ний на ПЭВМ можно анализировать по кривым частотного распре деления (гистограммам) Р0 - «ру(Р), которые рассчитываются по формуле: ф /Р) = Nj{PjAP ) • 100/NAP, (5.52) 62 Биофизика б) Рис. 5.28. Гистограммы PQi в скелетной мышцы при рост е линейной . скорости крови ( A Л2,) и рост е плотности активных капилляров (Б/, Бт) в условиях покоя (а) и при работ е скелетной мышцы (б) где N - общее число расчетных точек; А/, - число точек, для кото рых P j< Р < Р, ± АР, АР = 2 мм рт. ст., О < j < 100. Примеры гисто грамм, полученных на модели, приведены на рис. 5.28. С помощью модели можно исследовать влияние межкапиллярного расстояния на транспорт кислорода. Установлено, что уменьше ние межкапиллярного расстояния обеспечивает высокую насыщен ность ткани кислородом в покое, способность к интенсивной экстракции кислорода из крови, защищенность от гипоксии при флук туациях кровотока. Показана также высокая эффективность роста ли нейной скорости кровотока в регуляции снабжения ткани кислородом. Системная регуляция внешнего и тканевого дыхания. Начиная с работы Грея, разработано большое число математических моделей регуляции внешнего дыхания, массопереноса газов в легких и тканях и комплексных моделей, объединяющих внешнее дыхание и ткане вый метаболизм и описывающих систему транспорта кислорода и кислородный режим организма. А.З. Колчинская, А.А. Миссюра, Ю.Н. Онопчук разрабо тали модель массопереноса газов в организме, на базе которой Гпава 5. Биофизика двигательной активности Рис. S.29. Блок-схема математической модели дыхания и кровообращения. А[ - легочный резервуар, А3 - вена, Л4 - артерия, А\ -легочны е капилляры, А\ и А° - их венозный и артериальный концы, At,i = 5,11 - тканевые капилляры семи групп тканей, А*, А", А", / = 5,11 —соответственно тканевые капилляры, их артериальные и венозные концы, В - агрегат, отображающий изменения внешней среды, А12, Ап , АИ - агрегаты, осуществляющие регуляцию минутного объема крови, распределения кровотоков по тканевым капиллярам и регуляцию легочной вентиляции, Up u U s - синтезирующее и программное устройство системы 64 Биофизика Ю.Н. Онопчук предложил модель регуляции дыхания и кровообра щения (рис. 5.29), основанная на принципах оптимального управле ния доставкой кислорода. Модель описывает следующие основные явления: газообмен между легкими и внешней средой за счет вдоха и выдоха, газообмен между альвеолярным пространством и кровью легочных капилляров, транспорт газов кровью, газообмен между кровью и тканями через капиллярную мембрану. Управляемая сис тема включает легочный резервуар, кровь легочных и тканевых капилляров, артериальную и смешанную венозную кровь, тканевые резервуары. Выделено семь групп тканей: мозг, сердце, печень и же лудочно-кишечный тракт, почки, скелетные мышцы, кожа, жировая и костная ткани. В капиллярной сети выделены собственно капилля ры и их артериальные и венозные концы. Функциональным назначением синтезирующего устройства является анализ состояний агрегатов, выбор режимов функциониро вания, для них в зависимости от программы достижения заданной цели, определяемой программным устройством. Управляющие про цессы в модели были организованы на принципе оптимального управления доставкой кислорода в соответствии с запросами орга низма. Модель реализована на ПЭВМ. С помощью этой модели про водится анализ динамики кровообращения и кислородного режима организма при имитации физической нагрузки, изменений состава дыхательной смеси и др. 5 .3 .4 . Методы и технические средства для исследования легочной вентиляции Объем вдыхаемого и выдыхаемого воздуха можно непосредст венно измерить при помощи спирометра или пневмотахометра. Что же касается остаточного объема и функциональной остаточной емко сти, то их можно определить лишь косвенными методами. Спирометрия. Спирометрами называются приборы, измеряю щие количество воздуха при постоянном давлении (рис. 5.30). Изме рение осуществляется за счет того, что камера изготавливается из эластичного материала с гофрированным покрытием (сильфоны), либо применяются камеры, состоящие из двух частей: внешней - не- Гпава 5. Биофизика двигательной активности 65 разведения Рис. 5.30. Схема определения функциональной остаточной емкости по методу разведения гелия. Вверху - аппаратура и дыхательная система исследуемого в исходном состоянии,' гелий (точки) находится только в спирометре, где содержание его составляет 10 об.%. Внизу - полное и равномерное распределение гелия меж ду легкими (функциональная остаточная подвижной и внутренней - подвижной. Для фиксации объема между фазами входа и выхода и разделения фаз дыхания применяются кла паны. В спирометрах с подвижной частью роль клапана выполняет мода, налитая во внешний корпус. Поэтому такие спирометры назы ваются водяными или жидкостными. Спирометры с эластичной камерой называются сухими. Управиопие газовыми потоками, проходящими через сильфоны, произво ди гея механическими клапанами различной конструкции. Наиболее распространен водный спирометр. Этот прибор предгганляет собой цилиндр, помещенный дном кверху в резервуар 1 *»К44 66 Биофизика с водой. Воздух, попавший в этот цилиндр, не сообщается с внешней средой. Сам цилиндр уравновешивается противовесом. Воздухонос ные пути испытуемого соединяются посредствомширокойтрубкисзагубником с пространством внутри цилиндра. Во время выдоха объем воздуха в цилиндре увеличивается, и он всплывает, а при вдохе ци линдр погружается. Эти перемещения могут быть измерены при по мощи калиброванной шкалы или зарегистрированы посредством са мописца на барабане кимографа (в последнем случае получают так называемую спирогралшу). Премещение будет пропорционально объему воздуха при выдохе. В сухом спирометре в зависимости от объема выдыхаемого воздуха изменяется длина сильфона. Измерение функциональной остаточной емкости (ФОЕ). По скольку ФОЕ - это количество воздуха, остающееся в легких в конце выдоха, ее можно измерить только непрямыми методами. Принцип таких методов заключается в том, что в легкие либо вводят инород ный газ типа гелия {метод разведения), либо вымывают содержа щийся в альвеолярном воздухе азот, заставляя испытуемого дышать чистым кислородом {метод вымывания). И в том, и в другом случае искомый объем вычисляют, исходя из конечной концентрации газа. На рис. 5.30 проиллюстрирован метод разведения гелия. Спи рометр закрытого типа заполняется газовой смесью. Пусть общий объем смеси равен 3 л, а объемы 0 2 и Не - 2,7 и 0,3 л соответственно. При этом исходное содержание гелия F Hc составит 0,1 мл Не на 1 мл смеси. После спокойного выдоха испытуемый начинает дышать из спирометра, и в результате молекулы гелия равномерно распределя ются между объемом легких, равным ФОЕ, и объемом спирометра Vai. Гелий очень медленно диффундирует через ткани, и для практи ческих целей переходом его из альвеол в кровь можно пренебречь. Через несколько минут, когда содержание гелия в легких и спиро метре выравнивается, измеряют это содержание {FH ) при помощи специальных приборов. Предположим, что в нашем случае оно со ставляет 0,05 мл Не на 1 мл смеси. При вычислении ФОЕ исходят из того, что общ ее количество гелия, равное произведению объема V на содержание F, должно быть одинаковым как в исходном состоянии, так и после перемешивания: 67 Гпава 5. Биофизика двигательной активности ^ н с , = ( Г с П±ГфОЕ)^нсг). (5.53) Подставляя в это уравнение приведенные выше данные, можно рассчитать ФОЕ: ФОБ = ( f Л,„ = 3(0,1 - 005) = 3 ^ 0,05 При использовании метода вымывания азота испытуемый по сле спокойного выдоха в течение нескольких минут дышит чистым кислородом. Выдыхаемый воздух поступает в спирометр. И вместе с ним в спирометр переходят молекулы азота, содержащиеся в лег ких. Зная объем выдыхаемого воздуха, начальное содержание N2 в легких и конечное содержание N2 в спирометре, можно, используя уравнение, подобное (5.54), вычислить ФОЕ. При практическом применении этих методов необходимо вно сить некоторые поправки. Кроме того, недостатком обоих методов является то, что у больных с неравномерной вентиляцией некоторых участков легких полное разведение или вымывание газов требует очень длительного времени. В связи с этим в последнее время полу чило широкое распространение измерение ФОЕ при помощи интег рального пневмотахографа и плетизмографа. Пневмотахография. Для исследования дыхания в течение дли тельного времени значительно удобнее так называемые спирометры открытого типа. В этом случае регистрируют не сами дыхательные объемы, а объемную скорость воздушной струи (рис. 5.31). Для этого используют пневмотахографы - приборы, основной частью которых служит широкая трубка с малым аэродинамическим сопротивлени ем. Для определения скорости пользуются разными методами: 1) При прохождении воздуха через трубку между ее началом и концом создается небольшая разность давлений, которую можно зарегистрировать при помощи двух манометрических датчиков. Эта разность давлений прямо пропорциональна объемной скорости воз душной струи, т.е. количеству воздуха, проходящего через попе речное сечение трубки в единицу времени. Кривая изменений этой 68 Биофизика Рис. 5.31. Принцип действия пневмотахографа Разность давлений меж ду двумя концами трубки, обладающей определенным аэродинамическим сопротивлением и соединенной с загубником, пропорциональна объемной скорости потока воздуха V. Кривая изменений этой скорости называется пневмотахограммой, а кривая изменений интеграла этой скорости во времени т.е. объема дыхания, представляет собой спирограмму объемной скорости называется пневмотахограммой. Интегрируя пневмотахограмму, представляющую собой запись dV/dt, можно по лучить искомый объем воздуха v= ( f h ( 5 -5 5 ) 2) В трубке может быть установлена малоинерционная турбинка, частота вращения которой зависит от скорости воздушного потока в ней. Частота вращения измеряется бесконтактно с помощью опто электронного или емкостного датчика. Интегрируя частоты вращения турбинки за промежутки времени можно определить расходы воздуха при вдохе или выдохе. С помощью турбинки можно идентифицировать циклы выдоха и вдоха, так как при изменениях направления воздушного потока из меняется направление ее вращения. Гпава 5. Биофизика двигательной активности 69 В большинстве пневмотахографов имеется электронный интег рирующий блок, и поэтому одновременно с пневмотахограммой не посредственно записывается кривая дыхательных объемов (спиро грамма). Для измерения неэластического сопротивления дыхательной системы требуется постоянная регистрация внутриальвеолярного давления. Можно также использовать непрямой способ - интеграль- Рис. 5.32. Интегральная плетизмография (упрощенная схема) Q - объемная скорость потока воздуха, Р„ - альвеолярное давление 70 Биофизика ную плетизмографию. Основным элементом интегрального плетиз мографа (рис. 5.32) служит герметичная камера, в которой человек может удобно сидеть. При дыхательных движениях давление в легких испытуемого изменяется, и обратно пропорционально ему меняется давление в замкнутой плетизмографической камере. Откалибровав измерительную систему, можно судить об изменениях внутриальвеолярного давления Ра по изменениям давления в камере. Одновремен но можно регистрировать расход воздуха Q при помощи пневмотахо графа. Соотношение этих двух величин представляет собой искомое сопротивление. Обычно производят его непрерывную запись посред ством перьевого регистратора. При помощи интегрального плетизмографа можно также опре делить функциональную остаточную емкость (ФОЕ). Для этого на короткий срок перекрывают трубку, идущую от загубника, в резуль тате чего воздух в легких перестает общаться с атмосферным. После этого исследуемый совершает попытку вдохнуть, при этом измеряют изменения давления в полости рта и объема легких. ФОЕ можно вы числить, исходя из закона Бойля-Мариотта. 5 .4 . Биомеханика миокарда Кровообращение происходит в сердечно-сосудистой системе. С позиций механики, сердце является комбинированным многока мерным насосом, нагнетающим кровь в большой и малый круги кро вообращения, образованные сосудами разных типов (артериями, ка пиллярами, венами). 5 .4 .1. Сокращение миокарда Механическая работа, совершаемая сердцем, развивается за счёт сократительной деятельности миокарда. Вслед за распростране нием возбуждения происходит сокращение миокардиальных волокон. Механизмы электромеханического сопряжения и сократительного процесса в кардиомиоцитах и миоцитах скелетных мышц аналогичны, но не идентичны. Эти процессы в кардиомиоцитах имеют важные осо бенности. Гпава 5. Биофизика двигательной активности 71 Функциональным элементом миокарда служит мышечное во локно, образованное цепочкой кардиомиоцитов, соединённых «конец в конец» и заключённых в общую сарколемму. В такие цепочки объ единяются от 2 до 15 кардиомиоцитов, каждый из которых имеет длину от 100 до 200 мкм. Общая сарколемма имеет выраженный гликокаликс толщиной примерно 50 нм. Мышечные волокна собирают ся в пучки, отделённые друг от друга тонкими прослойками соедини тельной ткани. Пучки группируются в тяжи, взаимодействующие между собой посредством сложных нерегулярных контактов. Сократительной способностью обладает 99% всех кардиомио цитов. Их называют сократительными (типичными, рабочими). В этих клетках миофибриллы упорядочены (направлены вдоль их длинной оси и параллельны друг другу), хорошо развиты саркоплазматическая сеть (СПС) и система Г-трубочек, много митохондрий. Толщина сократительных кардиомиоцитов у человека составляет 1525 мкм. Поверхность каждого из них примерно 8,5 ■10-5 см2, а объём 1,94 ■10“'° л, причём 34% объёма приходятся на митохондрии. В проводящих (атипичных, узловых, специализированных) кардиомиоцитах, на долю которых приходится всего 1% миокардиаль ных клеток, сократительный аппарат развит слабо. В дальнейшем пойдет речь только о сократительных кардиомиоцитах. Именно их способность активно укорачиваться и разви вать напряжение обеспечивает механическую (насосную) функцию сердца. Возбуждающий сигнал (потенциал действия) поступает без декремента к сократительным кардиомиоцитам от пейсмекера по миокардиальному синцитию. Потенциал действия на мембране Г-трубочек инициирует повышение концентрации Са2+ в миоплазме подле миофибрилл. Са2+ поступает к миофибриллам миоцита скелет ной мускулатуры исключительно из цистерн СПС. В отличие от это го, в кардиомиоцитах СПС развита слабее, и ключевым фактором в электромеханическом сопряжении является вход Са2+ в миоплазму из интерстиция через потенциалзависимые каналы в сарколемме. Ка льциевый (медленный входящий) ток (ISI) течёт через сарколемму в течение существования «плато» на потенциале действия. Чем оно продолжительнее, тем больше Са2+ входит в миоплазму. Входящий 72 Биофизика Интерстиций Рис. 5.33. Схема электромеханического сопряжения в кардиомиоците СПР —саркоплазматический ретикулум кальциевый ток выполняет триггерную функцию по отношению к потенциалзависимым кальциевым каналам в мембране СПС. При небольшом повышении концентрации Са2+ в миоплазме деполяриза ция мембраны Г-трубочек открывает кальциевые каналы в мембране СПС кардиомиоцитов млекопитающих (рис. 5.33). Поток Са2+ из СПС в миоплазму на 2 порядка интенсивнее по тока через сарколемму, но кальциевый ток из СПС в саркоплазму не пойдёт без Isi. В этом состоит важное отличие электромеханического сопряжения от аналогичного процесса в миоците скелетных мышц. Этот обнаруженный в конце XX века факт ответил на вопрос, постав ленный С. Рингером более века назад: почему сокращение миокарда требует внеклеточного кальция (в окружающем растворе), а для со кращения скелетных мышц он не обязателен. В кардиомиоцитах ля гушек СПС развита очень слабо. Там входящий ток ионов кальция через сарколемму обеспечивает электромеханическое сопряжение полностью - без участия СПС. Как и в миоцитах скелетных мышц, повышение концентрации Са2+ от 10 7—1 М до (0,2-1,5) • 10-6 М устраняет тропомиозиновую блокаду сокращения, «расчехляя» активные центры для миозина на актиновых нитях. Однако в кардиомиоцитах нет тропонина, и про цесс их сокращения происходит без его участия. Максимальное со 73 Гпава 5. Биофизика двигательной активности кращение кардиомиоцита наблюдается при достижении концентра ции Са2+ вблизи миофибрилл около 5 • 10-6 М. Однако в условиях покоя напряжение миокарда не превышает 70% от максимально воз можного. После закрытия кальциевых каналов в сарколемме (в этот мо мент обрывается «плато» на потенциале действия) прекращается Isi, а избыток Са2+ удаляется из миоплазмы. В кардиомиоцитах выведе ние ионов кальция осуществляется двумя путями. Во-первых, каль циевый насос, сосредоточенный в мембране СПС, обеспечивает их активный транспорт в цистерны СПС - так же, как в миоцитах ске летной мускулатуры. Во-вторых, кардиомиоцитам присущ своеоб разный механизм выведения кальция в интерстиций посредством кальций-натриевого обменника, находящегося в сарколемме. Эта сис тема пассивного транспорта осуществляет во время диастолы: обмен одного иона Са2+, который выходит из миоплазмы, на 2 иона Na+, входящих в неё из интерстиция (рис. 5.34). При нарушении электромеханического сопряжения в сердце наблюдается явление электромеханической диссоциации - разобще ния электрической активности и сокращений миокарда вследствие ослабления поступления Са2+ в миоплазму из интерстиция. Это про исходит при понижении концентрации ионов кальция в интерстиции (например, вследствие недостатка их в пище и воде), при блокаде ка льциевых каналов в сарколемме кардиомиоцитов (солями Со2+, Cd2+, Ni2+, La3+ и некоторых других элементов). В таких случаях бывает внезапная остановка сердца. Интерстиций 2Na+ Сарколемма Са2+ Миоплазма кардиомиоцита Рис. 5.34. Натрий-кальциевый обменник в сарколемме кардиомиоцита 74 Биофизика Особенности сократимости миокарда 1. Зависимость силы сокращения миокарда от силы стимула подчиняется закону «всё или ничего». Этот закон, характерный для отдельных клеток, свойствен всему миокарду, поскольку он пред ставляет собой синцитий. 2. В зависимости силы сердечных сокращений от частоты стимула наблюдается феномен «лестницы Боудича» - нарастание силы сердечных сокращений по мере повышения частоты стимуля ции. Такой (хроноинотропный) эффект объясняется тем, что при час тоте стимуляции не весь Са2+, вошедший в миоплазму во время сис толы, удаляется в диастолу. Его концентрация вблизи миофибрилл поддерживается на повышенном уровне, что и обусловливает усиле ние сокращений. 3. Сила сокращений желудочков сердца прямо пропорциональ на исходной длине мышечных волокон - иными словами, чем больше расслабление миокарда в диастолу, тем сильнее сокращение в систо лу. Эту зависимость называют основным законом сердца ФранкаСтарлинга. Он был установлен О. Франком в 1895 г. в опытах на ля гушках и Е. Старлингом в 1912-1914 гг. в опытах на млекопитающих. Закон гласит, что ударный объем прямо связан с изменениями конеч нодиастолического объема желудочка. 4. Зависимость скорост ь-сила: чем больше нагрузка на серд це, тем оно медленнее сокращается. Такая зависимость следует из уравнения А. Хилла, которому миокард подчиняется так же, как ске летная мышца. Эксперименты на одиночных волокнах скелетных мышц пока зали, что развиваемая сила пропорциональна изменению мгновенной длины саркомера и не зависит от пути, по которому саркомер изме нял свою длину. Отсюда вытекает важный вывод, что в изотониче ском режиме мышца должна укорачиваться до длины, при которой сила равна весу поднимаемого груза. Действительно, в папиллярной мышце кошки связь «длина-напряжение» в изометрическом режиме совпадает с отношением «конечная длина-груз» при изотонии. Од нако в других опытах было обнаружено, что изометрическая сила при данной длине мышцы больше, чем изотонически поднимаемый груз при той же самой длине (рис. 5.35). 75 Гпава 5. Биофизика двигательной активности Рис. 5.35. Функция «длина-напряжение» для изометрических (непрерывная линия) и изотонических (пунктир) сокращений При изометрии длина мышцы устанавливается до стимуляции. При изотонии мышца поднимает различные грузы. По оси абсцисс - длина мышцы; по оси ординат - сила Начальная длина влияет не только на амплитуду, но и на дру гие параметры изометрических сокращений. Зависимость скорости изотонического укорочения от силы (нагрузки) является, как и связь «длина-сила», фундаментальным свойством мышцы. Как уже упоми налось, часто для описания функции «сила-скорость» используется уравнение Хилла: ( p + a ) v = b ( p - p 0), (5.56) которое в безразмерных величинах р!рй и vmax имеет вид 1— Р_ Ро или 1— _ V Ро (5.57) Ро 1+ р \Р О Р оу В миокарде эта функция лучше описывается отношением: ( p + a ) v = b ( p - p 0Y , где 0<п< 1. (5.58) 76 Биофизика Казалось бы, снимая зависимость «сила-скорость» в миокарде, можно найти фундаментальные константы а и Ь, значения р 0 (макси мальной силы) и vM 3KC(максимальной скорости ненагруженного уко рочения) и охарактеризовать ими сократительную деятельность и энергетические процессы. Однако в сердечной мышце, в отличие от скелетной, имеется ряд особенностей, которые затрудняют интер претацию функции «сила-скорость» и характеристик механохимических процессов. Поскольку сердечную мышцу необходимо предварительно растянуть, т.е. задать определенную преднагрузку, максимальную скорость укорочения можно обнаружить путем экстраполяции. Заме тим, что чем больше мышца предварительно растянута, тем менее точно определяется vmax. Хотя ранее сообщалось, что vmax не зависит от начальной длины (преднагрузки), ряд данных свидетельствует об обратном. В скелетной мышце при длине саркомера 2,0-2,2 мкм р 0 не за висит от длины, тогда как в миокарде максимальное изометрическое напряжение сильно зависит от длины, в силу чего смысл констант a и Ь не вполне ясен. Кроме того, как упоминалось выше, при / близких к /тах сами изменения длины влияют на ход активации. Скорость укорочения даже при малых грузах устанавливается не сразу, а требует времени, в течение которого происходит укороче ние контрактильного элемента. Таким образом, при определении функции «сила-скорость» длина становится неконтролируемой пе ременной. Поскольку податливость сердечной мышцы выше, чем скелетной, внутреннее укорочение приводит к большему уменьше нию способности развивать силу. Если в скелетной мышце измере ние скорости укорочения производится после достижения плато ак тивного состояния, то в сердце это не так. В миокарде влияние напряжения покоя не вполне ясно, а оцен ка влияния зависит от типа выбранной для анализа реологической модели. При изотоническом укорочении сила в параллельном эле менте падает и переносится на контрактильный элемент, а в покое в последовательном элементе имеется определенное напряжение. В изометрическом режиме напряжение падает и перераспределение напряжений между ними зависит от преднагрузки. Так как напряже Гпава 5. Биофизика двигательной активности 77 ние покоя является нелинейной функцией длины, оно должно учиты ваться каждый раз, особенно при больших нагрузках. Поскольку активное состояние в миокарде развивается относи тельно медленно, то в ряде случаев поднятие груза происходит при разных уровнях активации. Исследование функции «сила-скорость» в начальных фазах сердечного цикла дает заниженные значения уже в силу неполной активации контрактильного элемента. Медленное нарастание активного состояния заставляет при анализе функции «сила-скорость» в миокарде обязательно учитывать фактор времени. Работая на скелетной мышце, Хилл установил, что ее деформа ции вызывают уменьшение силы сокращений. Аналогичное явление было обнаружено в миокарде: высвобождение или растяжение во время изометрического сокращения приводило к падению напряже ния ниже контрольной величины. Этот эффект Бреди назвал разоб щением, или инактивацией сокращений. В скелетной мышце измене ния длины, помимо уменьшения величины напряжения, приводят к укорочению длительности активного состояния и более раннему завершению расслабления. Имеющиеся данные свидетельствовали, что деформации во время сокращения приводят к уменьшению числа активно включен ных мостиков. Как показал Бреди, влияние кратковременных деформаций не зависит от направления деформации (укорочение или растяжение) в обоих случаях имеется уменьшение последующего напряжения. Степень выраженности эффекта разобщения зависит от момента сер дечного цикла, в который действует механическое возмущение. Ус тановлено, что если смещение действует через 0-50 мс после стиму ла, то разобщающий эффект отсутствует. Чем позже от начала сокращения начинает действовать деформация, тем больше величина инактивации. Деформация в 5-10%, попадающая в фазу расслабле ния, вообще может уменьшить напряжение до нуля. Для данной де формации инактивация (оцененная как процент уменьшения напряже ния по отношению к невозмущенному сокращению) линейно зависит or времени после стимула, а для данного момента линейно связана с величиной деформации при деформациях, не превосходящих 7% длины. При больших деформациях, когда напряжение при разгрузке 78 Биофизика падает ниже 20-30% р 0, инактивация на пике изометрической силы перестает зависеть от деформации. В отношении влияния скорости деформации на величину инак тивации данные противоречивы. Хотя разобщающий эффект увели чивается при уменьшении скорости рывка от 8 до 0,5 с-1, при скоро стях деформации, не превосходящих 1,2 с-1, влияние этого параметра на инактивацию не установлено. Разобщающий эффект не зависел от начальной длины и в сердечной и в скелетной мышце при / = 1,92,7 мкм. Увеличение внеклеточной концентрации Са^ уменьшает от носительный эффект инактивации (рис. 5.36). Кофеин в присутствии высоких концентраций кальция также уменьшает эффект инактива ции или даже обращает его. Подавление активации верапамилом или гипокальциевой средой увеличивает инактивацию. При исследованиях обнаружена линейная зависимость между величиной инактивации и постоянной скорости расслабления (т). Вне зависимости от вида воздействующего фактора (температура, изменение частоты стимуляции, адреналин, кальций) уменьшение константы скорости расслабления мышцы приводит к уменьшению эффекта инактивации. Однако корреляции между величиной инакти вации и максимально развиваемым напряжением не обнаружено. С этим созвучны факты, что эффекты инактивации не обнаружива ются при контрактурах вне зависимости от способов, которыми они индуцируются (гиперкалиевые, гипонатриевые, бариевые контракту ры), и в тетанусе, который в сердечной мышце может быть получен в специфических условиях (кофеин + гиперкальциевая среда). На скицированных препаратах миокарда, где сокращение запускалось ионофоретической инъекцией кальция, инактивация деформацией отсутствовала. Удлинение сокращений уменьшает деактивирующий эффект или даже обращает его. Разобщающий эффект был недавно получен на изолированном сердце. Процесс инактивации весьма существен в методе быстрого вы свобождения. При этом вследствие инактивации величины скоростей укорочения оказываются заниженными, а степень влияния быстрого высвобождения тем больше, чем на большую величину мышца отпу скается. Гпава 5. Биофизика двигательной активности 79 Рис. 5.36. Влияние кальция на разобщающий эффект, вызванный укорочением в папиллярной мышце кролика А, В - контроль; Б - концентрация кальция увеличена с 2,5 до 1 1 мМ; Г - влияние блокатора кальциевой проницаемости верапамила. По оси абсцисс - смещение, % /», по оси ординат - величина активации. Цифры над кривыми означают время (мс) в цикле, когда действует деформация Флуктуации скорости выше 5% vmajl оказываются достаточны ми, чтобы уменьшить скорость укорочения. Согласно сообщению Эндо, этот инактивирующий эффект осцилляции связан с фазой от рицательного ускорения (торможения) и он является «дополнитель ным» к инактивации, вызванным самим укорочением. Скорее всего эффект инактивации каким-то образом связан с миофибриллярной системой (возможно, с конформационными изме нениями в тропонине). Имеются данные, что длительность конформаIщонных изменений может доходить в белках до нескольких секунд. Но мнению Эдмана, время жизни разобщающего эффекта в одиноч ных волокнах скелетных мышц может доходить до 800-900 мс. 80 Биофизика Об этом, возможно, свидетельствует следующий факт. Инакти вация во время первого сокращения в зубчатом тетанусе воздейству ет на силу сокращений в последующих циклах. Важно, что пассив ные деформации не влияют на амплитуду сокращений. Скорее всего количество кальция, связанного с тропонином, контролируется ско льжением нитей, и в момент быстрых деформаций сродство тропонииа к кальцию уменьшается и высвобождающийся кальций быстро поглощается ретикулумом. Это должно означать, что сродство к ка льцию в изотонии должно быть меньше, чем в изометрическом со кращении. Эдманом была предложена математическая модель сопряжения возбуждения с сокращением, учитывающая процессы поглощения и высвобождения ионов кальция и их связывание с тропонином. В случае низкой частоты стимуляции уравнение активации имеет вид: с + у = /(0 -ф у (с ), (5.59) У-£_i[-F (£c) - y], (5.60) где у - отклонение концентрации кальций-тропоиинового ком плекса от его полной концентрации х 0; с - концентрация свободного кальция в саркоплазме, отнесенная к x 0;J[t) - функция, описывающая зависимость скорости высвобождения кальция; у (с) - зависимость поглощения кальция ретикулумом от его концентрации с константой Ф„ безразмерная константа сродства реакции связывания кальция с тропонином; к_х - константа скорости этой реакции; F - равновес ное состояние этой реакции. Оценки показывают, что 1/ к_х намного меньше характерного времени механических процессов, а к_^ « 1. В рамках данной моде ли имеющиеся гипотезы о природе инактивации сводятся к предпо ложению, что величины ф или к являются функцией модуля скорости деформации, т.е. Ф = ф (| е |) или &= &(|е |). (5.61) Считая реакцию связывания кальция с тропонином квазирав новесной, получим: 81 I пава 5. Биофизика двигательной активности c - *"4v) k ’ ь=_ 1 kF \у ) kF'iУ) к1 (5.62) После преобразований имеем Y = /( 0 - 4 > V ^ (5.63) к Уравнение (5.63) показывает, что по данным механических из мерений в одиночном сокращении при одновременном функциони ровании системы тропонина и оттока кальция невозможно разли чить, что влияет на комплекс тропонин-кальций: деформация или поглощение кальция ретикулумом. Термин «сократимость» миокарда, «контрактильное состоя ние», или «инотропное состояние», широко употребляется в литера туре и чаще всего в интуитивном смысле без точного определения. 11о сути дела под изменением сократимости большинство исследова телей понимает именно те сдвиги в сократительной способности сердца, которые определяются внутренними, а не внешними обстоя тельствами (пост- и преднагрузками). Это важно потому, что необхо димо отличать изменения производительности сердца, связанные с изменениями давления в аорте, конечнодиастолического давления, механическими дефектами клапанов или самого сердца, от тех, кото рые связаны с подавлением сократимости. Даже нормальное сердце, находящееся в хорошем функциональном состоянии, не может рабо тать при большой перегрузке давлением или объемом. Серьезные трудности возникают при попытке измерить сокра тимость с помощью одного параметра, даже такого, как v ^ , ибо оценка контрактильной деятельности должна по меньшей мере включать в себя способность к развитию силы и укорочения. Связь между этими двумя способностями задается с помощью соотноше ния сила-скорость, которое могло бы характеризовать данное конт рактильное состояние. Выше уже указывались реальные трудности, возникающие при экспериментальном определении (р-у)-связи даже па полосках миокарда. Ситуация в целом сердце осложняется еще (. 9844 82 Биофизика и теми обстоятельствами, что сила сокращения во время выброса не является постоянной и прямая трансляция данных механики полоски на целое сердце ограничена. Кроме того, в патологии необходимо ха рактеризовать и сегментарные нарушения сократительной деятель ности (асинхронность, акинезия). В последнее время появились сомнения в принципиальной воз можности выделить показатель (индекс), который не зависел бы от изменений длины. По мнению Брэди, это совсем неразрешимая зада ча, поскольку в миокарде имеется несколько причин, обусловливаю щих связь сила-скорость. Поэтому общеупотребляемые индексы не позволяют различать влияния, обусловленные начальной длиной и активацией, и концептуально и фактически. 5 .4 .2 . Расслабление миокарда Фаза релаксации сокращения, которую можно определить как процесс, посредством которого мышца после сокращения возвраща ется к первоначальной длине или напряжению, изучена значительно хуже, чем фаза сокращения. Природа расслабления не менее сложна, чем природа сокращения. Доказано также, что фаза расслабления изменяется при увеличении частоты сердцебиений, под влиянием ка техоламинов, в гипернатриевых растворах. Кроме того, имеются ука зания, что расслабление мышцы находится под контролем мембран ного потенциала. Иными словами, фаза расслабления регулируется физиологическими факторами. Полагают, что скорость расслабления отражает скорость удаления кальция из контрактильного материала, а изменения в фазе расслабления объясняются изменениями скоро сти поглощения кальция саркоплазматическим ретикулумом и (или) другими мембранными структурами. Работами последних лет установлено, что в процессе удаления кальция из саркоплазмы саркоплазматическим ретикулумом можно различить быстрое связывание и поглощение. Быстрое связывание наблюдается в отсутствие преципитирующих анионов, и в опти мальных условиях скорость удаления кальция составляет 2 5 0 300 • 106 мл/с (для полной активации необходимо 50-100 • 108 мл/с), что вполне достаточно для адекватного объяснения скорости рас Гпава 5. Биофизика двигательной активности 83 слабления. В присутствии преципитирующих анионов кальций по глощается значительно медленнее, но кальций поглощающая емкость ретикулума возрастает в 50-100 раз. Найдено также, что поглощение кальция из миоплазмы регулируется АМФ-зависимой киназой микросом. Этот факт объясняет ускорение расслабления, которое наблю дается в сердцах теплокровных под влиянием катехоламинов. Для «линейного» расслабления максимальная скорость определяется в точ ке начала экспоненциального участка кривой. Найдено, что увеличение начальной длины от L0 до в пред сердиях теплокровных и холоднокровных животных в исследован ном температурном диапазоне приводит к уменьшению соответству ющих констант расслабления. В предсердиях кролика к уменьшалась в 1,5-2,0 раза. Перерастяжение приводило к дальнейшему падению величины к. В препаратах желудочков черепах и кроликов не обна ружено существенного влияния начальной длины на константы рас слабления. При увеличении температуры от 10 до 35 °С возрастают константы расслабления и заметно изменяется процесс расслабле ния. Так, в миокарде при 35 °С почти всё расслабление идет по экс поненциальному закону. При 10 °С почти все время расслабления приходится на «квадратичное расслабление». В миокарде предсер дий кролика чувствительность констант расслабления к растяжению растет с понижением температуры. Если, варьируя концентрации кальция и растяжение, добиться одной и той же амплитуды сокращений, то на константу расслабле ния повышение концентрации кальция оказывает воздействие, про тивоположное растяжению. В миокарде человека (при экспоненциальном расслаблении) к увеличивается от 4 до 7,7 с-1 в частотном диапазоне 0,05-0,2 Гц. При «квадратичном» типе расслабления в препаратах предсер дия человека к возрастет от 6,6 до 10,0 с когда частота увеличива ется от 0,07 до 2,0 Гц. Наконец, при смешанном типе расслабления (например, в одном из препаратов предсердия человека) при частоте 0,07 Гц к = 7,1 с-1, а при частоте 0,2 Гц к = 9,5 с-1. До сих пор не ясно, как объяснить различную чувствительность к растяжению кардиомиоцитов желудочков и предсердий. Показано, что клетки предсердий имеют особые секреторные гранулы, ответст 84 Биофизика венные за выделение физиологически активных веществ. Кроме того, в предсердиях имеется много симпатических и парасимпатических волокон. Ясно, что растяжение может влиять на подобные структуры и регулировать тем самым выделение веществ, влияющих на рас слабление (например, путем воздействия на кальцийсвязывающие структуры). В основе модели изометрического расслабления лежит предпо ложение, что напряжение линейно связано с числом кальций-тропониновых комплексов. В свою очередь, концентрация кальций-тропонинового комплекса определяется кинетикой взаимодействия кальция с тропонином и кинетикой поглощения кальция саркоплазматическим ретикулумом или его функциональными эквивалентами. В отношении «квадратичного расслабления» есть основания полагать, что отток кальция может быть связан с деятельностью С аNa обменного механизма. Предполагают, что при деполяризации этот механизм выключается, а после окончания деполяризации про исходит постепенное (линейное) восстановление от инактивации. С постулируемой точки зрения, процесс расслабления в сер дечной мышце может регулироваться за счет трех механизмов: 1) скорости восстановления от инактивации (рис. 5.37, я); 2) измене ний констант скорости поглощения кальция при тех же характери стиках инактивации (рис. 5.37, б); 3) изменения длительности потен циалов действия (рис. 5.37, в). До сих пор не ясно, связан ли смешанный тип расслабления с «сосуществованием» двух механиз мов удаления кальция или с наличием инактивации кальциевого на соса в мембране саркоплазматического ретикулума. Возможно, что расслабление может регулироваться за счет константы распада кальций-тропонинового комплекса, которая, в свою очередь, может быть функцией нагрузки или скорости укоро чения. Нельзя также исключить, что «константа» поглощения каль ция ретикулумом также является зависимой от деформации или ско рости движения. Вероятно, в одной и той же клетке функционируют несколько систем удаления кальция: саркоплазматический ретикулум; натрийзависимое удаление; удаление за счет митохондрий. По-видимому, вклад этих систем в расслабление зависит от удельной плотности соответствующих органелл, от соотношения их 85 Глава 5. Биофизика двигательной активности а) 6) в) Рис. 5.37. Варианты изменения коэффициента оттока кальция а - скорость расслабления изменяется за счет хода инактивации; б - скорость расслабления изменяется за счет вариации стационарного значения; в - скорость расслабления зависит от длительности потенциала действия (,изображено ступенькой) поверхности к объему и активности кальцийпоглощающих систем в каждой структуре. Была изучена кинетика изометрического расслабления в постпагрузочных сокращениях. В этом режиме расслабление состоит из двух фаз: 1) изотонического растяжения, во время которого мышца возвращается к исходной длине; 2) изометрического падения силы, когда в мышце восстанавливается первоначальное напряжение. Най дено, что изометрическое расслабление после изотонического сокра щения имеет две фазы: фазу быстрого падения и фазу экспоненциа льного расслабления. В обычных изометрических сокращениях релаксация изометрического сокращения была не экспоненциальна. 11о мере увеличения нагрузки, как и следовало ожидать, изометриче ское расслабление удлинялось, крутизна фазы начального быстрого падения релаксации падала. Чем больше груз, тем более была выра жена экспоненциальная фаза. В сердце млекопитающих экспоненциальный ход изотониче ского расслабления имеется при нагрузках, меньших 0,8 Р а, а при бо льших нагрузках оно не экспоненциально. В скелетной мышце и ми окарде наличие укорочения в изотонической фазе постнагрузочных сокращений оказывает существенное влияние на последующую фазу изометрической релаксации. Так, после изотонической фазы изомет- 86 Биофизика б) Рис. 5.38. Х од изометрического расслабления после изотонической фазы в скелетной мышце лягушки: а - изменения длины; б - напряжение рическая фаза расслабления начинается раньше, чем в обычных изо метрических сокращениях (рис. 5.38). В миокарде изометрическое расслабление после изотониче ской фазы из неэкспоненциального становится экспоненциальным. Если в скелетной мышце длительность изотонического расслабления возрастает по мере уменьшения груза (рис. 5.38), то в миокарде по мере уменьшения груза длительность изотонической фазы вначале возрастает, однако при дальнейшем уменьшении груза время изото нического расслабления уменьшается, вероятно, вследствие разоб щающего эффекта укорочения (рис. 5.39), выраженность которого в сердце значительно больше, чем в скелетных мышцах. Было также найдено, что постоянная времени экспоненциаль ного расслабления в изометрической фазе не меняется после предва рительного укорочения как в скелетной, так и в сердечной мышцах. Эти факты означают, что укорочение приводит к сдвигу кривых па дения напряжения, тогда как крутизна спада напряжения в полулога рифмических координатах не зависит от величины укорочения. Ка ков бы ни был режим нагружения и характеристики укорочения, Глава 5. Биофизика двигательной активности 87 Рис. 5.39. Ход расслабления в скелетной (I) и сердечной (II) мышцах лягушки а - обычное расслабление, б - расслабление в условиях фиксации длины. Стрелками показаны начало и конец фиксации; I - начальная линейная фаза расслабления, 2 - конечная экспоненциачъная фаза (схема) постоянная времени изометрического расслабления остается посто янной. Исследования функции «сила-скорость» для фазы расслабле ния крайне малочисленны. Установлено, что если скелетную мышцу высвободить в разные фазы цикла, то активное укорочение происхо дит вплоть до конца расслабления (рис. 5.40). Для каждого момента времени высвобождения кривая «си ла-скорость» описывается гиперболической функцией. Аналогичный процесс происходит в миокарде. Это свидетельствует, что активация в поздние фазы цикла все еще не закончена. Много новой дополнительной информации о влиянии механи ческих условий на ход расслабления получено с помощью метода фиксации длины саркомеров в центральных участках полоски с помо щью специальных сервосистем. На одиночных волокнах скелетных мышц показано, что в условиях фиксации длины саркомеров напря жение затягивается за счет ранней фазы расслабления. Последующая экспоненциальная фаза расслабления совпадает с началом удлинения саркомеров. Интересно, что изменение напряжения при фиксации длины в полоске внешне напоминает напряжения в целом сердце во время выброса крови. Во время первой фазы спад механического на пряжения линеен. В обычном изометрическом сокращении во время фазы экспоненциального падения напряжения всегда имеется удлине ние саркомеров. Сходство падения напряжения в изометрических со 88 Биофизика кращениях в скелетной и сердечной мышцах свидетельствует, что по ведение миофибрилл в обоих случаях качественно одинаково. Однако в скелетной мышце постоянство длины саркомеров при расслаблении можно поддерживать растяжением препарата, а в сердечной мышце - L, мм Д 6 Рис. 5.40. И зомет рическое и изотоническое расслабление в капиллярной мыш це кролика А - сравнение изометрического и изотонического расслабления: кривая I изотоническое расслабление, кривая 2 - изометрическое расслабление; Б - семейство пост нагрузочных изменений силы; В - семейство изотонических сокращений, в которых на разное время движ ение останавливается (изометрическая фаза); Г -и з о т о н и я при разны х нагрузках. I- и з о т о н и я при различны х нагрузках, I I - изометрия при различны х фиксациях длины Глава 5. Биофизика двигательной активности 89 ча счет отпускания. Кроме того, фиксация длины саркомеров в мио карде не приводит к удлинению напряжения, как в скелетной мышце. В сердечной мышце не найдено дисперсии длин саркомеров во время фазы релаксации напряжения. Более того, обнаружено, что сра зу после сокращения дифракционные линии более четкие, чем к нача лу следующего сокращения. При частотах стимуляции выше 0,4 Гц дисперсия длин саркомеров исчезала. Таким образом, дисперсия длин саркомеров имелась только во время длительных пауз, а наличие со кращений восстанавливало однородность после каждого сокращения. Вероятно, в миокарде должны быть системы, стабилизирующие попу ляцию расслабляющихся саркомеров и препятствующие удлинению. Такой структурой, по-видимому, является параллельный упругий эле мент и его составная часть - внеклеточная эластическая ткань. На ос новании этих данных было сделано предположение, что причина па дения напряжения заложена в самих миофибриллах, ибо абсолютная скорость падения напряжения не зависит от начальных условий и, са мое главное, от начальной длины. Интересно, что кальций оказывает неодинаковые эффекты на изометрическое и изотоническое расслабление, т.е. не изменяет абсо лютной скорости изометрического сокращения, но увеличивает кон станту изотонического расслабления. Вероятно, это говорит о том, что в изометрии и изотонии управление расслаблением осуществля ется разными механизмами. Отметим, что изотоническое расслабле ние под малыми нагрузками заканчивается до начала второй фазы изометрического расслабления. По-видимому, первая фаза изометри ческого расслабления (так же как и изотоническое расслабление) протекает на фоне определенной внутриклеточной концентрации ка льция и, следовательно, зависит от деятельности саркоплазматического ретикулума. Рианодин, влияющий на скорость поглощения им кальция, замедляет изотоническое расслабление. Вторая фаза изо метрического расслабления начинается, когда концентрация внутри клеточного кальция близка к нулю, и поэтому нечувствительна к воз действиям на саркоплазматический ретикулум. Для объяснения отсутствия влияния начальной длины на абсо лютную скорость расслабления и влияния Са на относительную ско рость падения напряжения в первую фазу было выдвинуто предполо 90 Биофизика жение о кооперативное™, согласно которой сродство миофибрилл к кальцию возрастает по мере увеличения числа мостиков. Поэтому, когда напряжение высоко, относительная скорость падения напряже ния падает даже в условиях фиксации длины саркомеров, когда одна из существенных переменных находится на постоянном уровне, ана лиз природы расслабления представляет большие трудности. Ситуа ция становится еще более сложной при «естественном» ходе рас слабления, при котором механические события через одну или несколько систем обратной связи влияют на образование и распад мостиков, а особенно в условиях наличия кальция в митоплазме. В этом случае на ход расслабления влияют многие функции, такие, как «сила-скорость», «длина-сила» контрактильного элемента, «дли на-сила» последовательного элемента и т.д. При постоянной длине саркомеров и отсутствии дисперсии их длин некоторые неопределен ности устраняются. 5 .4 .3 . Работа сердца Вследствие ритмического характера автоматизма сердцу свой ственна циклическая сократительная деятельность. Каждый цикл сердечных сокращений состоит из ряда механических процессов, идущих в строгой последовательности. Прежде чем характеризовать эти процессы, отметим, что левый желудочек нагнетает кровь в боль шой, а правый - в малый круги кровообращения. Кроме того, левое предсердие совершает работу по наполнению левого желудочка и тем самым способствует эффективности его нагнетательной функции. То же делает правое предсердие по отношению к правому желудочку. Поэтому принято условно говорить о левом сердце и правом сердце, как о двух насосах, соединённых друг с другом последовательно (вы ход одного является входом другого). Сразу заметим, что оба они пе рекачивают примерно одинаковые объёмы крови за каждый цикл. Проанализируем цикл сердечной деятельности при средней час тоте пульса (75 мин-1). В этом случае полное время сердечного цикла (рис. 5.41) составляет 0,8 с. Сначала сокращаются предсердия. Благо даря атрио-вентрикулярной задержке их сокращение (систола пред сердий) при расслабленных желудочках продолжается 0,1 с. Затем на- Гпава 5. Биофизика двигательной активности 91 Рис. 5.41. Цикл сердечной деятельности Обозначения: внутренний круг - временная шкала (каждый сектор —0,1 с); внутреннее кольцо - систола (заштрихована) и диастола предсердий; наружное кольцо - систола (заштрихована) и диастола желудочков; числами обозначены различные фазы систолы (1—4) и диастолы (5-9) ж елудочков (1 - фаза асинхронного сокращения, 2 - фаза изометрического сокращения, 3 - фаза быстрого изгнания крови, 4 - фаза медленного изгнания крови, 5 —протодиастолический интервал, 6 - фаза изометрического расслабления, 7 - фаза быстрого наполнения, 8 - фаза медленного наполнения, 9 - пресистола); вертикальная стрелка указывает начало сердечного цикла; стрелка по кругу - последователъносщр смены фаз чинают сокращаться желудочки. В желудочковой систоле выделяют ряд стадий (их называют фазами). Первая из них - фаза асинхронного сокращения длится 0,05 с. В течение её нет полной синфазности в воз буждении миокардиальных волокон. Из-за неодновременности сокра щений отдельных из них желудочки развивают слабое усилие, но к концу фазы асинхронного сокращения степень синфазности нарас т е т , многие волокна вовлекаются в сокращение, вследствие чего дос тигается достаточная сила, чтобы создать внутри желудочков большее кровяное давление (КД), чем в предсердиях (около 5 мм. рт. ст., что эк вивалентно 0,66 кПа.). В этот момент КД в магистральных артериаль ных стволах, куда кровь затем должна быть выброшена желудочками, шачительно выше: в аорте - примерно 60 мм. рт. ст. (8 кПа), в лёгоч ном артериальном стволе - 15 мм. рт. ст. (2 кПа). 92 Биофизика Каждый из желудочков отделен от своего предсердия створча тым, а от соответствующего магистрального ствола - полулунными клапанами. Клапаны открываются и закрываются в зависимости от соотношения КД в полостях, которые ими разделяются. Створчатые клапаны закрыты тогда, когда КД внутри желудочков выше, чем в предсердиях. Полулунные клапаны, напротив, открываются при высоком давлении в желудочках (при КД в левом желудочке выше, чем в аорте, и при КД в правом желудочке выше, чем в лёгочном ар териальном стволе). Когда в конце фазы асинхронного сокращения внутрижелудочковое КД станет выше, чем внутрипредсердное, створчатые клапаны закрываются, после чего желудочки продолжа ют сокращаться в условиях герметичности своих полостей, запол ненных кровью. Следовательно, первая фаза систолы желудочков сменяется второй - фазой изометрического сокращения. Изометри ческий режим обусловлен тем, что сердечная мышца сокращается вокруг несжимаемого тела - крови, содержащейся в желудочках, из которых она не может выйти, так как обе пары отверстий перекрыты клапанами. Существование фазы изометрического сокращения явля ется важным условием нормальной сердечной деятельности. Всё усилие, развиваемое миокардом, идёт на повышение его потенциаль ной энергии и, следовательно, на создание напряжения. В результате КД внутри желудочков стремительно нарастает: в левом желудочке от 5 до 60 мм. рт. ст., в правом - от 5 до 10 мм. рт. ст. Это происходит примерно за 0,03 с - такова продолжительность фазы изометрическо го сокращения. Благодаря достижению внутри желудочков КД, большего, чем в магистральных артериальных стволах, открываются полулунные клапаны, и кровь устремляется из сердца в сосуды. Вначале КД в же лудочках ещё продолжает повышаться, несмотря на открытие клапа нов. Этот режим сокращения называют изотоническим, что не со всем точно выражает его характер, поскольку при нём КД не удерживается на постоянном уровне. Например, в левом желудочке давление повышается примерно на такую же величину, как и в тече ние фазы изометрического сокращения (около 60 мм. рт. ст.), но не за 0,03, а за 0,12 с. За это время кровь быстро вытекает из желудоч ков в сосудистое русло. Поэтому третья фаза сердечного цикла назы- Гпава 5. Биофизика двигательной активности 93 нается фазой быстрого изгнания. Затем ещё 0,13 с кровь вытекает из желудочков в фазу медленного изгнания, причём в течение четвёртой фазы скорость истечения крови неуклонно понижается, поскольку падает внутрижелудочковое давление. Так, КД в полости левого же лудочка, достигшее к началу фазы медленного изгнания 120-130 мм. рт ст. (16,0-17,3 кПа), к концу её становится меньше диастолическо го давления в аорте. После расслабления - диастолы, в которой так же выделяют несколько фаз (см. рис. 5.41), наступает новое сокраще ние. Сердечный цикл повторяется. Как уже говорилось, сила, возникающая в сердечной мышце при её сокращении, зависит от исходной длины миокардиальных во локон, поскольку по мере укорочения волокна увеличивается число миозиновых мостиков, участвующих в сокращении. Это общее свой ство мышечной ткани. В миокарде оно находит выражение в законе Франка-Старлинга: сила сердечного сокращения прямо пропорцио нальна исходной длине миокардиальных волокон (перед началом си столы), а исходная длина зависит от степени растяжения их кровью, поступающей из предсердий. Следовательно, сила сокращения мио карда желудочков тем значительнее, чем больше крови поступает в них во время диастолы. От диастолического наполнения желудоч ков зависит основной показатель (параметр) сократительной функ ции сердца - систолический (ударный) объём ( Vc). Так называют объём крови, выбрасываемый каждым из желудочков при одном со кращении. Систолические объёмы левого и правого желудочков оди наковы. Для каждого их желудочков Vc составляет 70-100 мл в усло виях покоя, причём изгоняется 60-70% крови, содержавшейся там в период диастолы. При физической работе и эмоциях Vc увеличива ется в 2-3 раза. От систолического объёма зависит работа сердца, но сё значение может быть разным при одной и той же величине Vc Работа, совершаемая сердцем, затрачивается, во-первых, на выталкивание крови в магистральные артериальные сосуды против сил давления и, во-вторых, на придание крови кинетической энергии. Первый компонент работы называется статическим (потенциаль ным), а второй - кинетическим. Статический компонент работы сердца вычисляется по фор муле А ст = р ср ■Vc, где р ср - среднее давление крови в соответствую- 94 Биофизика КД, мм рт.ст. Рис. 5.42. Кривая динамики кровяного давления (КД) в артерии На графике показан способ планиметрического определения среднего давления: определив площадь под кривой кровяного давления за время сердечного цикла (площадь фигуры АабвгД) при помощи планиметра, строим равновеликий ей прямоугольник А ВС Д основание которого равно основанию фигуры АабвгД (т.е. А Д = At); тогда высота эт ого прямоугольника (ЕН) численно равна величине среднего давления. Р с - систолическое давление: Рд - диастолическое давление; tc = А Д - время сердечного цикла (At) щем магистральном сосуде (аорте - для левого желудочка, лёгочном артериальном стволе - для правого желудочка). Поскольку измене ние КД в артериях является сложной периодической функцией, сред нее давление равно не полусумме максимального (систолического) и минимального (диастолического) давлений, а среднему из беско нечно малых изменений давления от максимального до минимально го в течение одного сердечного цикла (рис. 5.42). Следовательно, среднее давление определяется так: 1 ^ Рф = — | p ( t) d t, где At = t2- tl - время сердечного цикла. В отличие h от систолического и диастолического давлений, изменяющихся в довольно широких пределах, р ср характеризуется постоянством. И.П. Павлов относил его к гомеостатическим константам организма. Ве личина р ср в большом круге кровообращения составляет приблизи тельно 100 мм. рт. ст. (13,3 кПа). В малом круге р ср ~ 15 мм. рт. ст. (2 кПа), т.е. примерно в 6 раз меньше, чем в большом. Поскольку Vc обоих желудочков одинаков, а давление, против которого они совер шают работу, имеет шестикратное различие, то и статический компо- I пава 5. Биофизика двигательной активности 95 псит работы левого желудочка приблизительно в 6 раз больше: '^,-тлевогожелудочка = 13,3 ■103 Па х 70 • 10-6 м3 « 0,9 Дж; 4 т правой, жилочка » = 0,15 Дж. В этих расчётах Vc принят равным 70 мл. Кинетический компонент работы сердца определяется по фор. /ни2 V и муле: A k ——- — —р ^ , где р - плотность крови (примерно IО3 кг • м~3), и - скорость кровотока в магистральном артериальном стволе (в среднем 0,7 м • с-1). Следовательно, А. = - • 103кг • м~3 • 70 ■10-6 м3 • 0,49 м2 • с-2 = 2 0,02 Дж. В целом работа левого желудочка за одно сокращение в усло виях покоя составляет около 1 Дж, а правого - менее 0,2 Дж, причём статический компонент доминирует, достигая 98% всей работы, тог да как па долю кинетического компонента приходится всего 2%. Средняя мощность миокарда поддерживается на уровне 1 Вт. При физической работе и эмоциях повышается КД в магист ральных сосудах, увеличивается Vc, но в ещё большей степени воз растает скорость кровотока. К тому же А к зависит от квадрата этой скорости. Поэтому при физических и психических нагрузках вклад кинетического компонента в работу сердца становится весомее (до 30% всей работы), чем в покое. Например, при выполнении тяжёлой физической работы тренированным человеком его р ср достигает 16 кПа, Vc - 200 мл, и - 3 м • с 1. Тогда работа левого желудочка дос тигает А = 16 • 103 • 200 • 10-6 + -■ 103 • 200 • 10"6 • 9 = 3,2 + 0,9 = 2 “ 4,1 Дж. Средняя мощность возрастает до 8,2 Вт. Приведённые чис ла не являются предельными. 5.4 .4. Методы исследования механической активности сердца Баллистокардиография (от греч. balk - бросаю, kardia - сердце и grapho - пишу) - метод исследования механических проявлений сердечной деятельности, выражающихся в смещениях тела человека. 96 Биофизика Баллистокардиография состоит в регистрации этих смещений, вы званных «отдачей» при сокращении сердца и выбросе крови в аорту и лёгочную артерию и движением крови по сосудистому руслу. Бал листокардиография получила распространение в медицинских иссле дованиях начиная с 1939 г., после работ американского исследователя А. Старра с сотрудниками. Для баллистокардиографии используют специальные приборы - баллистокардиографы Различают два типа баллистокардиографии: 1) непрямую, при которой регистрируются перемещения подвижного стола с находящимся на нем пациентом, и 2) прямую, когда регистрируются движения тела непосредственно. В обоих случаях перемещение тела пациента обусловлены выбросом крови из сердца в магистральные артерии. Баллистокардиографы состоят из механической части, воспри нимающей движения исспытуемого, преобразователя, превращаю щего эти механического движения в электрические сигналы, и элект ронной части, обеспечивающей усиление и регистрацию этих сигналов. При непрямой баллистокардиографии механической ча стью является подвижный стол, на котором располагается пациент, при этом датчик (механоэлектрический преобразователь) помещает ся на подвижном столе. При прямой баллистокардиографии датчик накладывается на любой участок тела (чаще на голень) и с его помо щью регистрируется смещение этого участка тела. В зависимости от частотной характеристики различают ультранизкочастотные (собст венная частота 0,25 и 0,5 Гц), низкочастотные (1^4 Гц) и высокочас тотные (15-30 Гц) баллистокардиографы. Обычно регистрируют смещения тела вдоль продольной оси. Можно также регистрировать скорость и ускорение перемещений тела, возникающих в результате сердечной деятельности. Движения записываются в виде кривой - баллистокардиограммы (БКГ). На этой кривой различают волны (зубцы), обозначаемые буквами латинского алфавита от Н до О. Волны Н, I, J, к возникают во время сокращения (систолы) желудочков, L и следующие - во время расслабления (диа столы). По изменению БКГ судят о состоянии сократительной функ ции миокарда и функции сердечно-сосудистой системы в целом. Из менения баллистокардиограммы указывают на нарушения сердечной деятельности. I пава 5. Биофизика двигательной активности 91 Динамокардиография —метод исследования механических про явлений сердечной деятельности, основанный на регистрации пере мещений центра тяжести грудной клетки в результате сердечной ки нематики и движения крови в крупных сосудах. Динамокардиография разработана в 1951 г. Е.Б. Бабским с сотрудниками. Динамокардио граф состоит из тензометрического устройства, преобразующего ди намические усилия в электрические сигналы и усилительно-регистрирующей аппаратуры. Тензометрическое устройство вмонтировано и крышку стола, на котором лежит пациент, но на подвижной части крышки располагают только его грудную клетку. Посредством дина мокардиографа регистрируют перемещения центра тяжести грудной клетки вдоль продольной оси тела и перпендикулярно ей. Обычно при регистрации синхронно записывается продольная (ДКГ-1) и поперечная динамокардиограммы (ДКГ-2). Основные зуб цы кривой (рис. 5.43), соответствующие точкам перегиба, обознача ются буквами А, В, С, D, Е, F, G, а интервалы между ними - римскими цифрами. В интервалах I, II, III, IV имеются расщепления (q, z, х,у). Каждый зубец и интервал соответствует определенной фазе или периоду в работе сердца. АВ (I) - отражение систолы предсер дий; точка В - начало систолы желудочков; точка z - начало изгна ния крови из желудочков; zC - перемещение сердца в начальный пе риод изгнания крови из желудочков; CD (III) - перемещение массы крови по аорте и легочной артерии; DEFG (I V -V I )-период расслаб ления желудочков; GHA (VII) - наполнение желудочков кровью; ин тервалы q-B и B-z отражают соответственно длительность фаз асинх ронного и изометрического сокращения; интервал z-y - период изгнания; интервал Е - протодиастола. Динамокардиограмма обнаруживает характерные изменения деятельности сердца при некоторых сердечных заболеваниях и в со четании с электрокардиограммой позволяет определять фазы сердеч ного цикла. Кинетокардиография (от греч. kinetos - движущийся, подвиж ный, кардио... и...графия) - метод электрической регистрации низко частотных вибраций грудной стенки, обусловленных сокращениями сердца. Кинетокардиография основана на преобразовании механиче ских колебаний в изменение какого-либо электрического параметра I 9844 98 Биофизика Рис. 5.43. Продольная (ДКГ-1) и поперечная (ДКГ-2) динамокардиограммы датчика, приложенного к грудной клетке обследуемого. Полоса реги стрируемых частот - в пределах 1-25 Гц. Чаще регистрируют вибра ции в двух точках грудной клетки, соответствующих проекции лево го и правого желудочков (на 2 см левее грудины, на уровне 5-го ребра, и справа от грудины, у места прикрепления 4-5-го ребер). Ре гистрируемая кривая состоит из серии зубцов, отражающих различ ные фазы сердечного цикла: систолу предсердий, периоды асинхрон ного и изометрического сокращения желудочков, быстрого и медленного изгнания из них крови, быстрого и медленного их на полнения. Кинетокардиография позволяет выявить изменения сер дечной деятельности при некоторых заболеваниях и оценить эффек тивность лечения. Фонокардиография (от греч. phone - звук и кардиография) метод графической регистрации звуков, рождаемых сердцем при его 99 I пава 5. Биофизика двигательной активности механической активности: сердечных тонов и сердечных шумов. Она применяется в дополнение к аускультации (выслушиванию), позво ляет объективно оценить интенсивность и продолжительность тонов п шумов, их характер и происхождение, записать неслышимые при аускультации 3-й и 4-й тоны. Специальный аппарат для фонокардиографии - фонокардиог раф — состоит из микрофона, усилителя электрических колебаний, системы частотных фильтров и регистрирующего устройства. Мик рофон прикладывают к разным точкам грудной клетки над областью сердца. После усиления и фильтрации электрические колебания по ступают на различные каналы регистрации, что позволяет избирате льно фиксировать низкие, средние и высокие частоты. Запись ФКГ производят в звукоизолированном помещении при задержке дыха ния на выдохе (при необходимости - на высоте вдоха) в положении лёжа, после отдыха исследуемого в течение 5 мин (рис. 5.44). На ФКГ прямая (изоакустическая) линия отражает систоличе ские и диастолические паузы. Нормальный 1-й тон состоит из 3 групп осцилляций: начальной (низкочастотной), обусловленной со кращением мышц желудочков; центральной (большей амплитуды), обусловленной закрытием митрального и трикуспидальнего клапа нов; конечной (малой амплитуды), связанной с открытием клапанов аорты и лёгочной артерии и колебаниями стенок крупных сосудов. 2-й тон состоит из 2 групп осцилляций: первая (большая по амплиту де) обусловлена закрытием аортальных клапанов, вторая связана с закрытием клапанов лёгочной артерии. Нормальные 3-й (связан с мышечными колебаниями при быстром наполнении желудочков) и 4-й (встречается реже, обусловлен сокращением предсердий) тоны I п I II Рис. S.44. Фонокардиограмма I - нормальный тон, обусловленный сокращением мышц желудочков, II-в т о р о й тон, обусловленный закрытием артериальных клапанов I' 100 Биофизика определяются преимущественно у детей и у спортсменов. Характер ные изменения ФКГ (ослабление, усиление или расщепление 1-го и 2-го тонов, появление патологических 3-го и 4-го тонов, систоличе ских и диастолических шумов) помогают распознавать пороки серд ца и некоторые др. заболевания. Поликардиография, представляющая собой синхронную запись фонокардиограммы (ФКГ), электрокардиограммы и кривой цен трального пульса, позволяет определить длительность фаз сердечно го цикла, т.е. получить косвенные данные о сократительной способ ности миокарда. 5 .5 . Биофизические закономерности движения крови по сосудам Движение крови по кровеносным сосудам изучает гемодинами ка, являющаяся одним из разделов биомеханики. Принято выделять две группы показателей, интегрально характеризующих кровообра щение. Их называют основными гемодинамическими показателями. Первую группу составляет скорость кровотока, вторую - кровяное давление (КД). 5.5.1. Основные показатели гемодинамики Различают объёмную и линейную скорости кровотока. Объёмной скоростью (Q) называют объём жидкости ( V), протекаю щей в единицу времени: Q = V / 1. Применяются разные единицы из мерения этой величины: мл • с-1, л • мин-1 и др. Линейная скорость (v) представляет собой путь (Г), проходимый частицами крови в еди ницу времени: v = / / 1 [м ■с-1]. Объёмная и линейная скорости связа ны простым отношением Q = v • S, где S - площадь поперечного се чения потока жидкости. Для сплошного течения несжимаемой жидкости выполняется условие неразрывности струи: через любое сечение струи в единицу времени протекают одинаковые объёмы жидкости: Q = ц ■S = const. Так формулируется в гидродинамике закон сохранения массы. По скольку для кровообращения характерно сплошное течение, условие Гпвва 5. Биофизика двигательной активности 101 неразрывности струи выполняется и в гемодинамике, где принята его следующая формулировка: в любом сечении сердечно-сосудистой сис темы объёмная скорость кровотока одинакова: Q = const. В покое она составляет примерно 5 л • мин-1. Словосочетание «любое сечение сердечно-сосудистой системы» требует пояснения. Одной из моделей круга кровообращения (как большого, так и малого) служит так на зываемая разветвлённая сосудистая трубка (рис. 5.45, а). Каждое её сечение представляет собой поперечный разрез всех кровеносных со судов одного уровня ветвления. Например, в большом круге кровооб ращения первое сечение проходит через аорту, второе - через все ар терии, на которые разветвляется аорта непосредственно, третье через все ветви этих артерий и т.д. В одно сечение попадают все ка пилляры большого круга кровообращения. Площадь последнего сече ния большого круга (перед правым предсердием) равна сумме площа дей поперечных разрезов верхней и нижней полых вен, которыми он заканчивается. Из рис. 5.45, а следует, что самым узким сечением в большом круге кровообращения обладает аорта (S около 4 см2). Суммарная площадь сечения обеих полых вен немного больше. Самое обширное сечение сосудистой трубки приходится на уровень кровеносных ка- а) б) Рис. 5.45. Схема развет вления сосудов в большом круге кровообращения (а) (модель развет влённой сосудистой трубки) и соотношение меж ду суммарным поперечным сечением каж дой генерации сосудов большого круга кровообращения (S) на разны х уровнях (сплошная линия) и линейной скоростью кровотока (v) в соответствующих сосудах (штриховая линия) (б) Ц ифрами обозначены уровни сечения: 1 - аорта; 2 - капиллярное русло; 3 - полые вены (верхняя и нижняя) 102 Биофизика пилляров (примерно 11 ООО см2, из которых лишь через 3 ООО см2 течёт кровь, а остальные капилляры в покое находятся в спавшем со стоянии). Следовательно, в большом круге кровообращения площадь суммарного просвета капилляров, в которых есть кровоток, в 700800 раз больше поперечного сечения аорты. С учётом условия нераз рывности струи это означает, что линейная скорость кровотока в ка пиллярной сети в 700-800 раз меньше, чем в аорте, и составляет око ло 1 мм - с-1. В покое средняя v в аорте лежит в пределах от 0,5 до 1 м ■с-1, а при большой физической нагрузке может достигать 20 м • с-1. Ускорения в аорте также максимальны и колеблются от 1 g до 8 g, где g - ускорение свободного падения (9,81 м • с-2). Средняя линейная скорость кровотока в полых венах 0,10 - 0,16 м • с-1, но мо жет достигать 0,5 м • с-1. Время полного кругооборота крови равно 27 систолам сердца, т.е. при частоте сердечных сокращений около 75 мин-1 кругооборот крови занимает 20-23 с. Из них 4/5 затрачива ется на движение в большом и 1/5 - в малом кругах кровообращения. В разных точках сечения сосуда кровь движется с неодинако вой скоростью. Она максимальна на продольной оси сосуда и посте пенно падает до нуля у стенки (пристеночный слой текущей жидко сти неподвижен). Между слоями движущейся по сосуду крови существует градиент скорости. Его принято называть скоростью сдвига: у = — [с-1 ].Из формулы Ньютона следует, что сила внутрен dy него трения (вязкость) текущей жидкости определяется скоростью F сдвига: F = -Т |-j -у. Коэффициент вязкости: Г| = —-у[Па-с]. У цель s •у ной крови Т|, измеренный на вискозиметре, составляет около 5 мПа • с (5 сП), что в 5 раз больше вязкости воды. При патологии Г) крови колеблется от 1,7 до 22,9 мПа • с. При скоростях сдвига мень ше 100 с-1 наиболее соответствует опытным данным в случае движе ния крови эмпирическое уравнение Кессона: (5.64) I пава 5. Биофизика двигательной активности 103 где стп- характерная константа (предел текучести): кровь приходит и движение лишь при а с > а„. Значение параметра кс для крови 0,050 , 1 5 Па0 5 • с0,5, а а п составляет 0,001-0,005 Н/м2. При высоких вели чинах напряжения сдвига (а значит, и при высоких градиентах скоро сти) о с » а п, и уравнение (5.64) превращается в уравнение Ньютона при Т| = к ]. Все эти свойства крови обусловлены тем, что при низких скоростях сдвига в ней имеются агрегаты эритроцитов в виде монет ных столбиков. Эти агрегаты распадаются по мере увеличения ско рости сдвига, и поэтому эффективная вязкость снижается и прибли жается постепенно к определенному пределу. Между вязкостью крови и воды обнаружена не только количе ственная, но и качественная разница. В воде, как и других однород ных жидкостях, Т| не зависит от скорости сдвига, а значит, и от ли нейной скорости. Такие жидкости называют ньютоновскими. У крови же вязкость принимает разные значения при различных ско ростях сдвига. Так, Т| = 5 мПа • с при сравнительно большой и крови, присущей методике определения вязкости (вискозиметрии) и движе нию крови в аорте. При малых скоростях сдвига, свойственных более мелким сосудам, Т| оказывается заметно больше: в мелких артериях 10 мПа ■с, в капиллярах - до 800 мПа • с. Кровь вместе с другими жидкостями, вязкость которых зависит от скорости сдвига, относит ся к неньютоновским жидкостям. Они представляют собой неодно родные жидкие среды, в основном, суспензии. В крови зависимость Т| от скорости сдвига связана с наличием форменных элементов (прежде всего, эритроцитов). При самых низ ких скоростях сдвига (у порядка 1 с-1) большая часть эритроцитов объединяется в группы из нескольких клеток, разделённые плазмой. Эти конгломераты образуют жёсткие структуры (рис. 5.46), что при даёт крови некоторые свойства твёрдого тела. Когда же напряжение сдвига превосходит предел текучести такого твёрдого тела (это до стигается при повышении г>), конгломераты изгибаются и разруша ются, вследствие чего вязкость крови, движущейся достаточно быст ро, начинает уменьшаться, причём тем в большей степени, чем выше скорость кровотока. Следовательно, различия вязкости крови при разных скоростях (и, значит, в разных сосудах) обусловлены обрати- 104 Биофизика а) Рис. 5.46. Образование конгломератов (а, б) и монетных столбиков (в, г) из эритроцитов (Э) при медленном кровотоке а, б - сканирующая электронная микроскопия; в - электронная микроскопия; г - схема образования монет ны х столбиков мой агрегацией эритроцитов. Поскольку эти агрегаты распадаются с увеличением скорости сдвига, эффективная вязкость Э снижается и постепенно приближается к определенному пределу (рис. 5.47). / лава 5. Биофизика двигательной активности 105 При большой скорости сдвига кровь можно рассматривать просто как суспензию и изучать ее механические свойства на двух моделях: суспензиях эритроцитов в физиологическом растворе и сус пензиях других частиц. Это справедливо для крови, текущей в круп ных артериях. Течение крови по таким сосудам зависит от концент рации и физических свойств эритроцитов. Вязкость суспензии сферических твердых частиц и суспензии эритроцитов сильно увеличивается при повышении концентрации (рис. 5.48). Концентрационная зависимость вязкости суспензии эрит роцитов незначительно отличается от концентрационной зависимостисуспензии сферических частиц, если оболочки эритроцитов сде лать жесткими. Последнее может быть достигнуто, например, путем фиксации белков, выдерживанием эритроцитов в глутаровом альде гиде. Однако кривая для нормальных, нефиксированных эритроцитов заметно отличается от кривой для сферических частиц или «жестких» эритроцитов (рис. 5.48). При этом вязкость суспензии эритроцитов мри значении гематокрита, соответствующем нормальной крови, т.е. немного более 40%, почти вдвое ниже вязкости жестких эритроцитов Рис. 5.47. Эффективная вязкость крови человека (!) и вязкость некоторой ньютоновской жидкости (2) при разных скоростях деформации сдвига. Величины скорости сдвига dv/dx представлены в логарифмическом масштабе. Вязкость ньютоновской жидкости взята равной предельной вязкости крови Биофизика 106 и тем более ниже вязкости жестких сферических частиц. Благодаря дисковидной форме клеток и эластичности оболочки суспензия эрит роцитов обладает сравнительно невысокой вязкостью, что важно для уменьшения нагрузки на сердце, которое прокачивает кровь по кро веносным сосудам. Увеличение жесткости стенок эритроцитов при патологических процессах приводит к возрастанию вязкости крови и к ухудшению кровообращения. Вязкость медленно текущей крови (т)к) можно приближенно рассчитать по формуле ц = ^ (1 ~ K YC i где т]0 - вязкость кровяной плазмы (около 1,2 мПа • с); К х - коэф фициент >2,5; С - объём форменных элементов крови в 1 см3 (около Рис. 5.48. Концентрационная зависимость вязкости суспензии эритроцитов собаки в норме (1), жестких эритроцитов (2) и суспензии твердых сферических частиц (3) т|/т|о —относительная вязкость в логарифмическом масштабе; с —объемная концентрации (гематокрит). Градиент скорости 230 с~‘ I лава 5. Биофизика двигательной активности 107 0,42-0,45 см3). Величина г|к («кажущейся вязкости») зависит прежде всего от свойств форменных элементов крови, 93% которых состав ляют эритроциты. Поэтому вязкость крови определяется главным об разом свойствами эритроцитов, причём не только их агрегацией. При повышении жёсткости эритроцитарной мембраны, например, при атеросклерозе, вязкость крови также возрастает, что приводит к уве личению нагрузки на сердце. Вязкость крови неодинакова в широких и узких сосудах, причём влияние диаметра кровеносного сосуда на вязкость начинает сказываться при просвете менее 1 мм. В сосудах тоньше 0,5 мм Г) уменьшается прямо пропорционально укорочению диаметра (эффект Фареуса-Линдквиста), поскольку в них эритроциты выстраиваются вдоль центральной оси в цепочку наподобие змейки и окружены сло ем плазмы, изолирующей «змейку» от сосудистой стенки. В этой бесклеточный краевой зоне вязкость невелика (около 2 мПа ■с), что несколько понижает величину кажущейся вязкости крови в артериолах и капиллярах, но всё-таки она достигает 800 мПа • с. От вязкости крови зависит характер её течения по сосудам, ко торое может быть ламинарным или турбулентным. Если слои жидко сти движутся параллельно друг другу, не смешиваясь между собой, то такое течение называют ламинарным. Когда же ток жидкости сопро вождается перемешиванием слоёв, обусловленным образованием вихрей в ней, то говорят о турбулентном (вихревом) движении. Пере ход одного вида течения в другой определяется числом Рейнольдса ... ч п р •d d т| (Ке): Re = v = —v, где p - плотность жидкости, v = —- кинемати11 v р веская вязкость, d - диаметр сосуда, v - линейная скорость движения жидкости. Существует критическое значение числа Рейнольдса (1<с ), которое служит граничным параметром перехода ламинарного ючеиия в турбулентное. Если фактическое значение Re < Re^,, то жид кости свойственно ламинарное течение, тогда как при Re > Re^ в пото ке возникают вихри, и движение приобретает турбулентный характер. Для однородной жидкости Re^ = 2300, для крови Re^ = 970 ± 80, но уже при Re > 400 возникают локальные завихрения в разветвлениях артерий и в области их крутых изгибов. Ламинарное течение крови 108 Биофизика создаёт меньшую нагрузку на сердце, поскольку при нём работа серд ца (А ) прямо пропорциональна объёмной скорости кровотока (Q), то гда как при турбулентном движении крови между ними установлена почти квадратичная зависимость (А ~ Q 1,s). В физиологических усло виях кровоток в магистральных сосудах имеет преимущественно ла минарный характер. При тяжёлой физической нагрузке он может стать турбулентным из-за повышения скорости. Переход к турбулент ному течению крови в сосудистом русле сопровождает ряд заболева ний, отягощая их. Например, при анемии (малокровии) Re возрастает за счёт понижения кинематической вязкости крови вследствие умень шения количества эритроцитов и нарушения их свойств. A.JL Чижевский предполагал, что в сосудах определённого диа метра (порядка 100-1 ОООмкм) эритроциты совершают не только посту пательное, но и вращательное движение. В конце XX века эго удалось увидеть при прижизненной микроскопии сосудистого русла in situ. Вязкость крови оказывает существенное влияние и на второй основной гемодинамический показатель - кровяное давление (КД). Это сила, с которой движущаяся кровь воздействует (давит) на едини цу площади стенки кровеносного сосуда. Анализ факторов, опреде ляющих КД, целесообразно проводить исходя из уравнения Пуазейля: пг4 Л e = i 4 i ' &p’ где Q - объёмная скорость кровотока, г - радиус сосуда, / - его длина, г) - вязкость крови, Ар - разность давлений на концах сосуда. Если кровь течёт по нескольким одинаковым сосудам, включенным параллельно, то 4 7ТГ а=п— jr - , где . Ар, п - число сосудов данного типа (калибра). Для анализа факторов, от которых зависит КД, решим уравне ние Пуазейля относительно Ар: Ар - и • Q и, обозначив сомножитгг'1 I лава 5. Биофизика двигательной активности 109 Iель — —символом RT, запишем: Ар = Rr ■Q. При такой записи уравпгА испие Пуазейля обнаруживает сходство с законом Ома: A U = R • /, если признать аналогию потенциальных ( A U и Ар), а также потоковых (/ и Q) величии. Заметим, что между ними существует не формальное, п смысловое сходство. Тогда Rr аналогично электрическому сопроО / i nвлеплю (R ). И действительно, величина R г = —=- отображает сопролг 4 Iпиление сосудистого русла кровотоку, включая все факторы, от кошрых оно зависит. Поэтому Rr называют гемодинамическим сопротивлением (или общим периферическим сопротивлением со судов - ОПСС). Его единица измерения в системе СИ - [Н ■м~5 ■с = Па ■с • м-3]. В гемодинамике обычно используют другую единицу: 111а • с ■мл-1]. В большом круге кровообращения ОПСС » 140 Па • с • мл_1, а в малом - на порядок меньше (около 11 Па • с • мл-1). Иклад в ОПСС большого круга различных его частей характеризуют г недующие величины: аорта и крупные артерии - 19%, артериолы М)%, капилляры - 25%, вены - 4%, артерио-венозные анастомозы и сосуды-сфинктеры - 3%. Аналогия, существующая между законом Пуазейля и законом ( )ма, позволяет моделировать кровообращение при помощи электри ческих цепей. В электротехнике хорошо разработаны методы расчёта и экспериментального исследования сложных (разветвлённых) элекфичсских цепей. Применяя эти методы к изучению кровообращения мн его электрических моделях, приходят к важным теоретическим м практическим выводам о закономерностях гемодинамики. Элект рическое моделирование сердечно-сосудистой системы оказалось штьма плодотворным при создании аппаратов искусственного кро ши>бращения, в протезировании сердца и сосудов, а также во многих чругих приложениях. Анализ уравнения Пуазейля, разрешённого относительно Ар, гнидегельствует, что КД зависит от объёмной скорости кровотока и, | педоиательно, от массы циркулирующей крови и сократительной чей Iсльности миокарда, определяющих эту скорость. Ещё более вы раженное влияние на динамику КД оказывает гемодинамическое со 110 Биофизика противление (ОПСС), прежде всего такой его компонент, как радиус сосуда, поскольку в формулу он входит в четвертой степени (г4). По этому изменение радиуса на 20% (при Q = const) приводит к повы шению КД в сосуде в (1,2)4 раз, т.е. более чем вдвое. Даже небольшие колебания просвета кровеносных сосудов сильно сказываются на кровообращении. Не случайно регуляция уровня КД в организме связана с нервными и гуморальными влияниями прежде всего на гладкомышечную оболочку кровеносных сосудов в целях активного изменения их просвета. Сюда же направлены основные фармаколо гические средства нормализации КД. Проанализируем изменения R r в системе кровообращения на модели разветвлённой сосудистой трубки (рис. 5.45, а). Все крупные артерии имеют большой радиус, который к тому же мало изменяется в обычных условиях. Поэтому их вклад в Rr и его изменения незна чителен, хотя общая длина всех крупных артерий сравнительно вели ка. По мере удаления от желудочков сердца число артерий, включённых параллельно кровотоку, возрастает. Поскольку при па раллельном включении в кровообращение многих (п) сосудов Rr па дает в п раз, вклад этого звена артериального русла должен быть, ка залось бы, меньшим по сравнению с вкладом крупных артерий, тем более, что по мере удаления от сердца после каждого разветвления артерии становятся всё короче. Однако по мере ветвления артерий уменьшается их просвет и, поскольку R r зависит от г4, гемодинамическое сопротивление становится тем больше, чем дальше от сердца расположено данное артериальное звено. Особенно резкое увеличе ние R r наблюдается на уровне артериол (рис. 5.49). Переход от артериол к капиллярам характеризуется значитель ным увеличением количества параллельно включенных сосудов, тог да как радиусы прекапилляра (сосуда, принадлежащего последнему звену артериол) и капилляра примерно одинаковы. Поэтому общее R r капиллярной сети приблизительно в четыре раза меньше, чем ар териол. В венозном русле гемодинамическое сопротивление меньше, чем в капиллярном. Отмеченные особенности R r в различных звень ях кровеносного русла определяют распределение КД в сердечно-со судистой системе человека (рис. 5.50). I пава 5. Биофизика двигательной активности 1 2 111 3 4 5 Рис. 5.49. Гемодинамическое сопротивление (Rp) разных отделов кровеносного русла - аорта; 2 -м агист ральны е артерии; 3 - артериолы; 4 - капилляры; 5 —вены КД, мм рт. ст.11 100 Артериальные сосуды 80 60 40 \ N Венозные сосуды т Среднее I значение ±о 20 0 7060504030201010203040506070 d сосуда, мкм б) Рис. 5.50. Распределение кровяного давления в разных сосудах ъшого круга кровообращения (а) и в микрососудах брыжейки ( - аорта; 2 - крупные вены; 3 —мелкие артерии; 4 - артериолы 112 Биофизика В аорте и крупных артериях падение давления невелико (КД в начале и конце таких сосудов почти одинаково). В артериолах на блюдается максимальный перепад давления - свыше половины обще го падения КД в сосудистом русле. На рис. 5.50, а показано, что в крупных и средних артериях КД неодинаково в систолу и диастолу. Принято различать систолическое (максимальное) и диастолическое (минимальное) КД, а также пульсовое давление крови, равное разно сти их и составляющее в большом круге примерно 40 мм рт. ст. (5,3 кПа), поскольку первое из них 110-130, а второе-6 0 -8 0 ммрт ст. В малом круге кровообращения эти величины составляют соответст венно 20-3 0 и около 10 мм, а пульсовое давление - 10-20 мм рт. ст. Кроме того, измеряют среднее КД. Названные виды кровяного давления составляют вторую группу основных гемодинамических показателей - показателей давления крови. Понятно, что между арте риальным, капиллярным и венозным давлениями крови существует большая разница (рис. 5.50, б). В капиллярах большого круга КД па дает (от 30 до 15 мм рт. ст. на протяжении всего 0,75 мм), а в малом круге капиллярное давление около 7 мм рт. ст. В венулах большого круга КД = 15 - 20 мм рт. ст., а в крупных венах (за пределами груд ной полости) падает до 5-6 мм рт. ст. В предсердиях КД имеет отри цательное значение (на 2 -4 мм рт. ст. ниже атмосферного). Волна давления, как установил Н. Е. Жуковский, распространя ется по жидкости со скоростью звука (порядка 103 м • с-1). Следовате льно, в самых удалённых от сердца артериях большого круга крово обращения уровни систолического и диастолического давлений достигаются мгновенно после того, как они устанавливаются в аорте. То же происходит и в малом круге относительно лёгочного артериа льного ствола. Нельзя путать огромную скорость распространения давления с низкой линейной скоростью кровотока (1 -1 0-3 м • с-1), а также со скоростью распространения пульсовой волны по сосуди стой стенке - порядка 10 м • с-1. В начале говорилось, что в физиологии и биофизике принято выделять 2 группы основных гемодинамических показателей. Пер вый из них (скорость) служит потоковой характеристикой, а второй (кровяное давление) - потенциальной. Они исчерпывающим образом характеризуют линейные процессы массопереноса, поскольку коэф I пава 5. Биофизика двигательной активности 113 фициент связи между ними - постоянная величина. В гемодинамике 1<у является функцией скорости, что свидетельствует о нелинейном характере движения крови по сосудам. Поэтому R r следует считать фетьим основным гемодинамическим показателем, так как он не определяется однозначно из первых двух. 5.5.2. Линейная теория движения крови по кровеносному руслу Примем, что кровеносный сосуд имеет цилиндрическую фор му с радиусом просвета (поперечного сечения) г. Рассмотрим движе ние цилиндрического элемента крови размером dx (рис. 5.51) (вели чина dx - бесконечно малая). Движение этого элемента вдоль ниинной оси х сосуда слева направо вызывается силой, которая обу словлена разностью давлений dxр между правой и левой границей, и равна S ■dxр; S = nr2- площадь просвета сосуда). В dxр нижний инцекс обозначает то, что дифференциал частный, т.е. находится при изменении х на dx при постоянных других переменных. 2 Рис. 5.51. Схема к выводу уравнений движения крови по кровеносному сосуду (1) и схема электрической линии, эквивалентной наполненному кровью сосуду (2) г - внутренний радиус сосуда; И- толщина стенки сосуда; х - расстояние вдоль продольной оси сосуда; R, L, С —активное сопротивление, индуктивность и емкость (соответственно). На вход электрической линии подается импульс, эквивалентный пульсу 1 'IX 'H 114 Биофизика Эта сила создает ускорение массы указанного элемента крови и преодолевает силу вязкостного трения, так что по второму закону Ньютона без учета силы тяжести имеем выражение: - S d xp = d x ^ + d xp , (5.65) dt в котором v - средняя (по площади просвета) скорость движения час тиц крови; — - - ускорение; d /n - масса элемента крови, равная рSdx dt (р - плотность крови; Sdx - объем элемента крови). Будем считать, что вязкое движение крови по сосуду подчиня ется закону Пуазейля. Тогда dxf = n ^ Q d x , (5.66) где Т| - вязкость крови. Величина Q = Sv представляет собой объемную скорость кро вотока. Подстановка выражения (5.66) в уравнение (5.65), деление уравнения (5.65) на dx и S и замена отношений дифференциалов на частные производные (др / дх вместо dj>/dx и т.д.) дают: ^ £ =J, ^ v + t o , c дх dt S ( 5 .6 7 ) Важно далее, что крупные кровеносные сосуды при изменении внутрисосудистого давления в ходе сокращений сердца способны к быстрой упругой деформации, в результате чего возникает распро страняющаяся по сосудам пульсовая волна. Это можно пояснить сле дующим образом. Под действием сокращения сердца в отрезок сосу да dx за небольшой период dt подается порция крови и давление здесь возрастает. Из-за инерции крови это вызовет не ее движение вдоль сосуда, а расширение сосуда и вход крови в образовавшееся расширение. Затем упругая сила стенки сосуда начнет выталкивать избыток крови в соседний участок, где все описанные события по вторяются: по сосуду распространяется импульс давления, скорости 115 I нова 5. Биофизика двигательной активности кровотока и деформации сосудистой стенки. Скорость распростране ния этого импульса (т.е. пульса) намного выше средней скорости те чения крови. Рассмотрим теперь уравнение, описывающее количественно изменение во времени давления крови и скорости кровотока по ходу сосуда в связи с его деформацией. Пусть деформация сосуда проис ходит за время dt. Получаем связь между скоростью изменения давпения и скоростью деформации сосуда: d ,P _ Е а о d , s dt 2r 2S dt (5.68) где Е - эффективный модуль упругости стенки сосуда в рассмат риваемый момент времени; нижний индекс t - частный дифференциил по времени, а 0 = r - h . Выразим d,S/dt через изменение объемной скорости кровотока. 1'лссмотрим участок сосуда длиной dx. Объем этого участка за время ill в результате расширения сосуда увеличивается на d,Sdx. Так как кровь практически несжимаема и течет по сосуду неразрывной струей, указанное изменение объема равно разности между объемом крови Qidt, втекающей в участок dx, и объемом крови Q2dt, которая иытекает (т.е. втекает в соседний участок): d, = S d x = Q xd t - Q 2dt = - d xQdt, (5.69) где dxQ - изменение объемной скорости кровотока по длине сосу да. Уравнение (5.69) можно переписать в виде d ,S dt d *Q dx (5.70) При подстановке (5.70) в (5.68) получаем Эр _ Е а 0 dQ Эt 2r 2S дх (5.71) Дифференциальные уравнения (5.67) и (5.71) образуют систе му, которая отражает взаимную зависимость давления и объемной 116 Биофизика скорости кровотока и описывает их изменение по ходу сосуда и во времени. Строго говоря, величины параметров т|, Е и тем более S и г в уравнениях (5.67) и (5.71) могут изменяться при сдвиге давления в сосуде. Однако при высоких скоростях кровотока, характерных для магистральных сосудов, вязкость крови можно считать постоянной величиной. При быстрых изменениях давления, характерных для пу льса, величина эффективного модуля упругости стенки кровеносных сосудов Е достигает больших величин и, следовательно, S изменяет ся незначительно. Наконец, сам модуль Е можно считать постоянной величиной при небольших изменениях S. Таким образом, можно принять за постоянные величины все параметры сосуда и крови, сто ящие перед производными в выражениях (5.67) и (5.71). Введем но вые постоянные: / г = ^ В , С = — , L = ?-. S1 Eh S (5.72) Теперь уравнения (5.67) и (5.71) приобретают простой вид: -% L = L ?SL+ R Q , (5.73) ± = -Ш д dt . (5.74) С дх Такой же вид имеют уравнения, известные в электротехнике и описывающие изменение электрического потенциала вдоль элект г д<р ^ ( Эф ' рической цепи —- и во времени — если эта электрическая цепь дх V dt составлена из элементов, имеющих в расчете на единицу длины со противление R, емкость С и индуктивность L (см. рис. 5.51). Для сосудов системы микроциркуляции С—»0 вследствие их низкой способности к расширению при изменении давления, и поэ тому уравнение (5.74) теряет смысл. Для этих сосудов отношение вязкостного сопротивления к индуктивному г /ю1 = 8лг| / copS оказы вается во много раз выше, чем для артерий, что обусловлено неболь- I пава 5. Биофизика двигательной активности 117 Рис. 5.52. Зависимость объемного расхода крови в системе микроциркуляции от давления Q - объемный расход крови в условных единицах Ар - разность давлений на входе и выходе системы шой величиной S отдельных артериол и капилляров по сравнению с артериями. Поэтому первым членом в правой части уравнения ( S.73) можно пренебречь, и в итоге кровоток в микрососуде описыва ется дифференциальным уравнением Пуазейля. Это уравнение при интегрировании в пределах длины сосуда от х, до х2 и давления отр { до р 2 переходит в выражение - р 2 = R ( x 2 —jc, ) или P i - p 2 = R rQ, (5.75) которое аналогично закону Ома для участка электрической цепи с проводником длиной (х2 - х,) и сопротивлением R(x2- x x) = Rr. Для системы параллельно соединенных сосудов величина, об ратная общему вязкостному сопротивлению (проводимость), равна сумме проводимостей отдельных сосудов. Описанное представление кровотока в системе микроциркуля ции называют чисто резистивной моделью кровообращения. Выра жение (5.75) часто именуют формулой периферического гемодинамического сопротивления. Экспериментальная зависимость (рис. 5.52) Q от Ар = р2 - р, для артериальной части системы микрососудов в целом имеет нелиней ный характер: кровоток растет по мере увеличения давления более резко, чем это следует по уравнению (5.75). Это объясняется тем, что 118 Биофизика Рис. 5.53. Разложение импульса давления в бедренной артерии собаки на гармонические составляющие I, 2, 3 - гармонические колебания с частотой 1, 2 и 3 Гц; 4 - сумма гармоник (сплошная кривая) и экспериментальные значения давления (кружочки); 5 - постоянная составляющая; р - давление в относительных единицах; t - время при повышении Ар величина R r снижается. Падение сопротивления при повышенных давлениях может быть обусловлено несколькими причинами, например, расширением микрососудов или увеличением количества действующих капилляров, подключающихся параллельно к функционировавшим сосудам. Распространение пульсовых волн. Сокращения сердца сопрово ждаются выбросом крови в кровяное русло, что приводит к периоди ческим изменениям давления. Эти изменения, как и всякий периоди ческий процесс, могут быть выражены в форме суммы гармонических колебаний с частотой nfg, где п - натуральные числа, af 0 - частота 1 Гц (разложение сложного колебания на сумму гармонических колебаний называется Фуръе-анализом). На рис. 5.53 в качестве примера показа но, что пульс в бедренной артерии собаки хорошо аппроксимируется рядом Фурье, состоящим всего из четырех слагаемых (гармоник). Та ким образом, целесообразно сначала рассматривать распространение по сосуду простых гармонических волн, а затем просуммировать их для описания распространения естественных (пульсовых) волн. Итак, предположим, что давление в точке х = 0 изменяется по гармоническому закону с круговой частотой со = 2 n f ( f - частота в герцах): 119 I пава 5. Биофизика двигательной активности р ( 0) = р 0 cos соt. (5.76) При выполнении этого условия решение системы уравнений (5.73) и (5.74) приводит к уравнению затухающей волны: р = А 0 exp(-%x)cos((M -Р * ), (5.77) причем коэффициенты X и Р связаны с величинами R, L и С в уравне ниях (5.73) и (5.74) соотношениями: Р2 - Х 2 =ш 2LC- 2Рх =(£>RC. (5.78) Величина А 0 в уравнении (5.77) представляет собой максималь ную амплитуду колебаний давления и равна р при cos(co/ -Р * ) = 1 и v = 0. Коэффициент р показывает, как быстро затухает колебание по ходу сосуда. В самом деле, амплитуда колебаний в точке х равна /!(| схр(-хх), т.е. уменьшается по ходу сосуда по экспоненте, показа тель которой пропорционален х. Величина Р* в уравнении (5.77) показывает сдвиг фазы на расстоянии х от начала отсчета, а коэффи циент Р связан со скоростью распространения волны а и, следовак'льно, с длиной волны X, соотношениями: (5.79) Легко найти величины а и X, решив систему уравнений (5.78) н подставив величину Р в (5.79). Однако выражения получаются гро моздкими. Если сопротивление току крови носит в основном вязкогшый характер (cc> L«R), можно получить приближенное выраже ние для скорости: (5.80) В этом случае, как видим, фазовая скорость распространения упругих волн растет с увеличением частоты. Если, наоборот, сопро 120 Биофизика тивление току крови обусловлено в основном ее инерцией (сoL » R), что характерно для крупных сосудов, приближенное выражение для скорости будет иным: (5.81) Скорость распространения упругих волн уже не зависит от ча стоты, т.е. все гармонические слагаемые сложного колебания (пуль са) будут распространяться по сосудам с одинаковой скоростью. Изучение кровеносных сосудов и кровотока может осуществ ляться на основании анализа распространения искусственных гармо нических волн давления в опытах in situ. Измеряя амплитуды давле ния искусственной волны в месте расположения датчиков давления, находят фазовую скорость распространения волны, a = x / At. • Эти опыты показали, что фазовая скорость практически не за висит от частоты (рис. 5.54). Это говорит о справедливости уравне ния (5.81). Экспериментально был подтвержден и другой теоретический вывод об экспоненциальном характере затухания волны давления по ходу сосуда. Из уравнения (5.77) следует, что при данном х амплиту да давления А = А0 ехр(-%х), или после логарифмирования (5.82) Это и наблюдалось в опыте: в полулогарифмических коорди натах амплитуда давления оказалась линейно зависимой от х. Существует много других подтверждений правильности ли нейной модели кровотока. Например, согласно уравнению (5.81), скорость распространения волны давления по крупным сосудам должна возрастать с увеличением модуля упругости сосудистой стенки Е. Выводы линейной теории кровотока по упругим сосудам тем не менее могут использоваться для изучения ряда характеристик сис темы кровообращения. Например, измеряя скорость распростране- 121 / /шва 5. Биофизика двигательной активности имя пульса, можно определить модуль упругости сосудистой стенки /•. по уравнению (5.81). Измеряя давление в двух близко расположен ных участках сосуда и зная R и L, можно рассчитывать по уравнению (5.73) импульс объемного расхода крови. Моделирование работы кровеносной системы проще всего осуществить, объединив каждую совокупность сосудов данного типа м один гидродинамический элемент. В модели О. Франка, созданной и 1899 г., система крупных сосудов артериальной части большого круга кровообращения моделируется одной упругой камерой, а сис1сма мелких сосудов с вязкостным сопротивлением - жесткой труб кой (рис. 5.55). Электрическим аналогом этой гидродинамической а, м/с 5 0 0 0 Q 0 0 0 0 0 0 °~ 3 - — I------------- 1------------ 1---------► 40 80 120 ( кГц Рис. 5.54. Схема определения фазовой скорости и коэффициента затухания искусственных волн давления и зависимость фазовой скорости распространения этих волн в аорте собаки от частоты Ао, А - амплитуда давления в месте расположения датчика Д 1 и после прохождения расстояния 4 см (вмест е расположения датчика Д^); I - время прохождения максимума волны давления (фазы) от одного до другого датчика; а —фазовая скорость распространения волны давления; / - частота Биофизика 122 Рис. S.55. Гидродинамическая модель с сосредоточенными параметрами, описывающая артериальную часть большого круга кровообращения 1 -уп р у га я камера (крупные артерии), представляющая собой цилиндр с поршнем, который соединен с упругой пружиной; 2 - жесткая трубка (периферические сосуды); 3 - клапан; 4 - насос (левый желудочек сердца). Стрелки С и Д показывают направление поступления крови в разные части системы в период систолы и диастолы (соответственно) модели служит цепь, состоящая из параллельно соединенных кон денсатора и активного сопротивления. Давление р , создаваемое серд цем при сокращении, воздействует сразу на все крупные артерии (на единую гидродинамическую емкость С0). Теоретический анализ кро вотока в такой гемодинамической системе с сосредоточенными пара метрами приводит к формулам, на основе которых, измеряя показа тели кровяного давления, можно рассчитать ударный объем крови в большом круге кровообращения. Объем (Qdt) крови, выходящей из сердца со скоростью Q за время dt {dt > 0), равен сумме объема (Q0dt) крови, протекающей с объемной скоростью Q0 через жесткую трубку, и изменения объема (dV) крови в упругой камере: Q d t - Q 0dt + dV. (5.83) Очевидно, что dV = s • dl, где s - площадь поверхности поршня упругой камеры; dl - изменение длины камеры (упругой пружины). 123 / tinea 5. Биофизика двигательной активности Мыразив dl через модуль упругости Е и длину I упругой камеры (пру жины) и учитывая при этом, что в данном случае d o равна измене нию давления dp, имеем dV - s ld p IE . В результате уравнение (5.83) переходит в выражение: Q d t= Q 0dt + C 0dp, (5.84) м котором С 0 - s i I Е - гидродинамическая емкость упругой камеры (совокупности крупных сосудов). Объемная скорость кровотока через периферические сосуды (жесткую трубку): Qo= ( P Z P b ), лг (5-85) где р - давление в крупных сосудах (в упругой камере), р в - веноз ное давление, R r - общее вязкостное сопротивление периферических сосудов Из последних двух уравнений при р в = 0 следует Qdt = P ^- + C 0dp. Rr (5.86) Запишем определенный интеграл этого выражения в проме жутке времени, равном одному периоду пульса Тп, т.е. в промежутке между моментами минимального диастолического давления р а (рис. 5.56): Тп 1 ТП Ра jQ d t = — jP d t + C 0 j d p . о RrО (5.87) р„ Второй член правой части уравнения (5.87) равен нулю. Левая часть этого уравнения и есть ударный объем крови (Vc), который, как иидим, может быть найден как площадь под кривойp(t) за период пу льса (рис. 5.56), деленная на вязкостное сопротивление R r. Введя па раметр среднее давление р п за период пульса, получаем: 124 Биофизика Рис. 5.56. Определение в модели с сосредоточенными параметрами гидродинамических характеристик артериальной части системы кровообращения по данным измерения пульсовой волны 1 , 2 - пульс сонной и бедренной артерий (соответственно) (рд - диастолическое давление, р с - систолическое давление) — т vc =^ILJL. ( 5 .88) Rr Теперь предстоит найти Rr. В основе дальнейших рассуждений лежит тот факт, что сердце в основном заканчивает выброс крови к моменту достижения максимального систолического давления {рс 11шва 5. Биофизика двигательной активности 125 па рис. 5.56). Дальнейшее изменение давления до минимального диа столического связано с выходом крови из крупных сосудов (упругой камеры). Таким образом, в период Ти (рис. 5.56) Q = 0, и для этого пе риода уравнение (5.86) приобретает вид C 0d p = - p d t / R r . Проинтег рировав это выражение в пределах давления от р с до р а для левой ча сти и в промежутке времени от 0 до Гд для правой части и выразив шгем интеграл правой части через среднее давление, как это сделано иыше для всего периода пульса, приходим к уравнению: С 0( р с - р а ) = ^ , лг (5.89) где р - среднее давление за период Гп, приближенно равное р п и формуле (5.88). Емкость С0 в этом уравнении равна С ■1а, где 1а - некая эффек тивная длина крупных артерий, а С - их средняя емкость на единицу длины. Величина С может быть найдена, если известна скорость рас пространения пульсовых волн а: (5.90) ра где S0 - эффективная площадь поперечного сечения, которую обычно принимают равной площади поперечного сечения восходя щей дуги аорты, и определяют по данным рентгенографии. Из уравнений (5.88), (5.89) и (5.90) можно получить выражение для ударного объема крови, которое при р - р п имеет следующий вид: V k S 0( p c - p R ) Tn la ' р°% где к - эмпирический коэффициент, близкий к единице, введение которого связано со сделанными упрощениями. Наибольшая труд ность при использовании уравнения (5.91) связана с тем, что эффек тивная длина артерий /„ неизвестна. Существует несколько более или 126 Биофизика менее произвольных методов ее оценки. О. Франк предположил, на пример, что la равна половине длины волны основного колебания пульса, т.е. величине a • Г/2, где Г - период указанного колебания, определяемого обычно по пульсу в бедренной артерии (рис. 5.56). Другие исследователи делают иные допущения. Но если даже пара метры к и /а неизвестны, уравнение (5.91) дает возможность опреде лять изменения ударного объема крови у данного испытуемого, так как к, /д и даже S0 и р при этом обычно меняются незначительно. 5 .5 .3 . Нелинейная теория движения крови по кровеносному руслу При создании этой теории основное внимание уделено двум вопросам: - связи характера потока жидкости с изменяющейся под дейст вием этого потока геометрией эластичной трубки; - роли нелинейности уравнений гидродинамики при течении жидкости по эластичным трубкам. В исследуемой гидродинамической модели сделаны сущест венные упрощения. Во-первых, принято приближение идеальной жидкости, во-вторых, используется безмоментная теория для элас тичной трубки. Течение жидкости по тонкостенным эластичным трубкам мож но условно разделить на три относительно самостоятельных гидро динамических явлений: перенос объема жидкости по трубке, распро странение волны давления, скорость которой много выше скорости жидкости, и возникновение высокочастотных колебаний вследствие потери устойчивости по типу «поток-стенка» (флатгер). Течение идеальной ж идкости в трубках с эластичными стен ками. Для получения замкнутой системы уравнений гидродинамики необходимо задать связь между деформацией эластичной трубки и из быточным давлением внутри нее. В простейшем случае небольших деформаций эта связь определяется законом Гука. Однако формули ровка закона Гука зависит от характера решаемой задачи. Она должна быть различной для различных скоростей изменения площади сече ния трубки. В случае относительно небольших скоростей потока и из- I пяла 5. Биофизика двигательной активности 127 мшспий площади течения трубки можно использовать формулу связи п |(>ыточного давления в трубке и площади ее сечения в виде: (5.92) Iдо AS = S - S0, S - площадь сечения трубки в данном месте, S0 пиощадь сечения трубки при нулевом избыточном давлении p v С ылстичность стенок трубки. Из теории тонких оболочек следует, что I ' ~ Eh/d, где Е - эффективный модуль упругости стенок трубки, h нипцина ее стенки, d - средний диаметр. В случае более значительных изменений площади сечения Iрубки можно использовать закон Гука в виде: (5.93) Здесь сохраняется линейная связь изменения избыточного давдспия от относительной деформации площади сечения трубки, одна ко зависимость площади от избыточного давления носит нелиней ный характер: (5.94) В первом порядке разложения в ряд формула (5.94) переходит и (5.92). Если скорость изменения площади сечения трубки достаточно иелика, то в закон Гука должны входить параметры, характеризую щие движение жидкости по эластичной трубке. В этом случае закон I 'ука можно применять в виде : (5.95) Iдс d V = S d X - элемент объема трубки, рис. 5.57. Если жидкость неподвижна, то dV = Sdl, где dl - неизменяющаяся длина участка 128 Биофизика Рис. 5.57. Деформация элемента объема эластичной трубки dV при перемещении жидкости вдоль нее (V*j - V* - изменение элемента объема трубки при перемещении жидкости) трубки. Тогда формула (5.95) переходит в (5.93). Если же жидкость движется, то преобразование носит более сложный характер (рис. 5.57): с _л(dv)_v ; - v dV + ^ 1 dV - V ' dV dV ! dV = (5.96) _ d V * _ d( uS) dV S • dx где e - относительная деформация элемента объема трубки dV в процессе смещения жидкости вдоль нее на dx, а V* - V* - измене ние элемента объема трубки при этом. При S = const формула (5.96) переходит в обычное выражение для относительной деформации в твердом теле е ■ Относительно смещения и необходимо сделать следующее за мечание. Если в эластичной трубке возникли высокочастотные авто колебания стенки и потока, то на осредненное движение жидкости со скоростью v0 накладывается колебательное движение со скоростью v*, так что суммарная скорость (5.97) I пава 5. Биофизика двигательной активности 129 Величина и - это смещение элемента объема жидкости в про цессе продольных колебаний относительно точки, движущейся со скоростью v0 так, что v k Таким образом, из (5.95) следует, что =с д № ± Sdx (5.98) Формулы (5.92)-(5.95) и (5.98) связывают избыточное давле ние с геометрией трубки. Однако, если записывается уравнение коле наиий, то необходимо использовать связь между реакцией стенки •мастичной трубки и ее геометрией. Реакция стенки трубки р - это шла, действующая со стороны единицы площади внутренней по верхности трубки на жидкость. Так как р = -р„ то в формулах (5.92) - (5.95) и (5.98) необходимо учесть минус. Для возникновения флаттерного реж има течения совсем не обязательно наличие волн давления. Он может появиться и при неиз менном расходе в эластичной трубке, т.е. когда перепад давления на Iрубке постоянен. Течение жидкости по эластичной трубке принципиммыю неустойчивый процесс. Любое случайное увеличение скорости жидкости приводит в соответствии с «эффектом Бернулли» к сниже нию статического давления в ней. Это ведет к уменьшению площади сечения трубки, что еще больше увеличивает скорость потока. Про цесс нарастает лавинообразно (положительная обратная связь), что приводит к схлопыванию трубки. Необходимость прокачивания опре деленного объема жидкости раскрывает трубку. Возникают автоколе1мния по типу неустойчивости «поток-стенка» или флаттер оболочечnoii моды. Процесс непосредственно не связан с наличием вязкости жидкости, поэтому будем рассматривать возникновение автоколебан'льного (автоволнового) режима течения в идеальной жидкости, мвлияние вязкости отметим в дальнейшем. Выведем уравнение импульса для рассматриваемого процесса. 111мснение площади поперечного сечения трубопровода на полуво>И1С возникших колебаний состоит из двух частей: диффузорной и копфузорной (рис. 5.58). Второй закон Ньютона в проекции на ось • для элемента объема жидкости d V можно записать в виде • 4S.I4 130 Биофизика Рис. 5.58. Схема продольных составляющих сил, действующих на элемент объема d V со стороны диффузорной и конфузорной частей стенок трубки d F , + N - ( N - d N ) - d F t =o-dV- — , g dt (5.99) где dF%= dFy = PdS - продольные составляющие сил, действующих на элемент объема d V со стороны диффузорной и конфузорной час тей стенок трубки. По 3-му закону Ньютона они равны между собой; N = p S - продольная составляющая сил давления, обеспечивающая течение жидкости, р - ее плотность, t - время. Сила Fg, действующая на элемент объема d V по всей внутрен ней поверхности диффузорной части, уравновешивается силой Fk, действующей со стороны конфузорной части. Если dFk = 0, т.е. диф фузор открытый, уравнение (5.99) преобразуется к виду: ~ = Р ^ dx dt (5Л 0°) Такой же вид имеет уравнение импульса при S = const. Однако в случае существования диффузорной и конфузорной частей симмет ричной геометрии уравнение импульса (5.100) преобразуется к виду: _ S(pS)=p± S • дх dt (5101) Следовательно, в случае трубки неизменного сечения, расши ряющегося либо сужающегося сечений, можно пользоваться уравне ниями Эйлера (5.100). Если же расширение трубки сменяется суже нием, то необходимо использовать уравнение (5.101). Подобный вид 131 I лава 5. Биофизика двигательной активности уравнения используется, например, при решении задачи Жуковского о гидравлическом ударе в упругом «трубопроводе». Подставляя в (5.101) закон Гука (5.95) с учетом знака, а также используя (5.96) и учитывая, что d v jd t = 0, получаем: С d ( uS) dv, dv S d x 2 В случае колебаний небольшой амплитуды нелинейным кон вективным слагаемым в правой части (5.102) можно пренебречь. ( корость распространения автоволн по трубопроводу a = V (C / p ) = J ( E - / p d ) . (5.103) Используя v k = dи / dt, а также (5.103) получим: a 1 dl {“Sl = S — . дх2 d t2 (5.104) Получено двухпараметрическое волновое уравнение. Еще одно уравнение, связывающее неизвестные величины и и S, - это уравне ние неразрывности-. * l +^ > S K o . dt dx (5.105) В уравнение неразрывности входит только колебательная со ставляющая скорости, так как изменение площади и расхода Q = VS происходит только за счет колебательной составляющей скорости vk. Будем искать решение системы (5.104) и (5.105) методом раз деления переменных Фурье. Примем: m= F , ( x ) - O , ( 0 ; S = F 2( x ) -O 2(0 ; kS = F, (*) ■Ф, ( 0 ■F 2(X) ■Ф2( 0 = F( x ) ■Ф(0. (5-106) 132 Биофизика Подставим (5.106) в (5.104) и сократив на Ф2(1), разделим пере менные: 1 Ф ,(0 . d ^ ( 0 _ a2 dt2 1 F(x) d 2F ( x ) _ ю 2_ ( (5.107) dx2 Получаем два уравнения: d 20 , ( t ) + со Ф ,(?)= 0 dt „ \2 d 2F ( x ) . fг ш'' + ■F(x)= 0 dx2 \ ау (5.108) Решение этих уравнений имеет вид: Ф ,(/)= Л 0 ■sin(octf + ф 0), (5.109) F ( x ) - A l -sinfot+cp 0), (5.110) где со - циклическая частота колебаний, A h ф) - постоянные интег рирования. Функции Ф2(Т), F ,( x ) , F 2(x ) найдем из уравнения нераз рывности (5.105). Учитывая, что скорость v k имеем: /•1(Х). £ Ч ( 0 +Ф (() ^ ( 0 ^ ( £ ) =(, dt2 dt dx (5.111) Следовательно, уравнение неразрывности распадается на два уравнения: 1 F,(x) (5.1,2) dx Ф ,( /| <№,(<) где 0 - постоянная. Решения уравнений (5.112) с учетом (5.110) имеют вид: 133 I пава 5. Биофизика двигательной активности ф 2( 0 = а F 2( x ) = 2 -ехр с-е-Ф Д О ) (5.113) А 2 ■со ''со -cos — + < P i 0 •a \a Функция F l находится из условия: . ч F(x) в a 1^ = "F 2( г сx )\ = с о ( со “ * +CPi \ a (5.114) Система функций (5.109), (5.113), (5.114) позволяет получить решение уравнений (5.104), (5.105): S = F 2(:с)Ф2( 0 = ^ ‘ 0 •a со Л cos —х +ф , \a j (5.115) ехр(-0/4о sin(cof + ср 0)), ''со u = F x{x)<by{ t ) J ' a ' A° *g - . r + со \a C P j Л sin(co? + ф 0). (5.116) j При записи решений уравнений (5.104), (5.105) необходимо учитывать, что эти уравнения обладают слабой нелинейностью. Они линейны относительно каждого из параметров, но в них входят про изведения этих параметров. Указанное обстоятельство налагает не которые ограничения на результат решения системы (5.104), (5.105). 11лощадь эластичной трубки величина положительная, поэтому не обходимо использовать знак абсолютной величины. Абсолютную ве личину в соответствии с уравнением неразрывности (5.105) нужно использовать и в уравнении для перемещения (5.116). Найдем скорость жидкости и давление в ней; для скорости имеем: ди v = v ° + ^7 dt = vo _ . tg (со ") U ) •cos(co/ +ф А (5.117) Давление определим исходя из соотношения (5.98): 134 Биофизика I Рис. 5.59. Возникновение автоколебаний стенок эластичной трубки (к схеме измерения артериального давления крови но методу Короткова; манжета сфигмоманометра не показана) р х = с 5 ( н 5 ) = с 5 ( ^ Ф ) =С 0ф S • dx К2Ф2дх (5.118) Pi - CQA0 sin(ciH + ф „). Как и следовало ожидать, градиент давления (так как жидкость идеальная) получился равным нулю. Таким образом, в эластичных трубках возможно возникновение автоколебаний площади, скорости и давления. Такие автоколебания, или флаттер возникают, например, при измерении артериального давления в кровеносных сосудах сфигмоманометром - тоны Короткова. Если принять максимальную относительную деформацию и учесть, что ам плитудное значение колебаний давления Р^ах ~ = С • етах, то из (5.118) следует 8гаи = 0 ■А0. Зададим следующие граничные условия исходя из модели из мерения артериального давления по методу Короткова (рис. 5.59): при х = 0 величины S = S0; и = и0 = 0; v = v0, где S0, и0, v0 - площадь се чения, перемещение и скорость жидкости вне манжетки сфигмома нометра. Из (5.117) следует' ф] = 0. Принимая начальные условия: при t = 0 величина и = и0 = 0, S = S0, из (5.116) получаем ф0 = 0, а из (5.115) А] А2 ю/(0 • а) = S0. Следовательно, окончательно решение системы уравнений (5.104), (5.105) при данных начальных и гранич ных условиях имеет вид: I пава 5. Биофизика двигательной активности 135 V, S t So v0 О я /2 я Рис. 5.60. Расчетные кривые изменений площади сечения эластичной трубки и скорости жидкости по ее длине Сплошные линии соответствуют идеальной жидкости, штриховые - вязкой (5.119) S = S 0 cos - j c Р, “ ехр(-в ш sin(co/)), max Sin(CDf)- На рис. 5.60 показаны графики изменения площади сечения эластичной трубки и скорости жидкости в ней в зависимости от ее длины в момент времени, соответствующий sin(cot) = 0 и cos(cd/) = 1, i .e. t = 2кл/ш, где k = 0, 1, 2,..., построенные в соответствии с форму лами (5.119). Для удобства построения по оси абсцисс взята величи на сох/а. Из рис. 5.60 видно, что в моменты схлопывания трубки, там где S = 0, скорость жидкости возрастает до бесконечности. Это свя зано с тем, что формулы для скорости и площади относятся к невяз кой жидкости. Такой же эффект имеет место, например, при рас 136 Биофизика смотрении вынужденных колебаний, когда амплитуда колебаний в резонансе стремится к бесконечности при отсутствии сопротивле ния среды. Пунктиром показан реальный ход кривых с учетом вяз кости жидкости. Определим возможные частоты автоколебаний при измерении артериального давления по методу Короткова. Пусть длина манжет ки сфигмоманометра равна 1. Тогда дополнительное граничное усло вие будет: при х = 1, v = v0 в любой момент времени. Из (5.119) следу ет соHa = кп, где к = 0, 1,2,..., т.е. целое число. Следовательно, частота автоколебаний будет равна: (5.120) Полученное выражение дает возможность определить эффек тивный модуль упругости сосудистой стенки в живой системе путем измерения частоты тонов Короткова. Вязкий рехсим течения в эластичных трубках. До сих пор рас сматривали течение идеальной жидкости по эластичной трубке. Реаль но кровь обладает довольно большой вязкостью. Вязкость крови при мерно в 4,2 раза больше вязкости воды. При рассмотрении уравнения импульса для вязкой крови при мем, что амплитуда волн в эластичной трубке мала по сравнению с длиной волны. В этом случае можно не учитывать нелинейные кон вективные члены в уравнении импульса. Если считать скорость рас пространения пульсовой волны а и 6 м/с, а длину волны X вычис лить исходя из характеристик тонов Короткова, частота которых/ = = 60...150 Гц, то, исходя из этого, получим: X = a J f - 10...4 см. Амплитуда колебаний не может быть больше радиуса артерии, т.е. менее 0,5 см. Следовательно, условие, при котором можно прене бречь нелинейными членами в уравнении импульса, выполнимо. Учитывая формулу члена с давлением (5.98), запишем уравне ние импульса в виде 137 I пава 5. Биофизика двигательной активности где г - радиальная координата, г| - динамическая вязкость. Усред ним уравнение (5.121) в соответствии с профилем скорости Пуазейля г = 2v (1 - г 2 / R 7), где vcp - средняя по сечению скорость в трубке, R - внутренний радиус сосуда. В результате уравнение импульса принимает вид: (5.122) В (5.122) у скорости v опущен индекс ср., так как в дальнейшем будем иметь дело только со средней скоростью кровотока по сече нию. Для анализа влияния вязкости на поток крови рассмотрим те чение очень вязкой жидкости, т.е. примем в (5.122): Такое течение аналогично пуазейлевскому, но с учетом воз можности изменения площади сосуда за счет его эластичности. Пер воначально пренебрежем последним диффузионным членом в урав нении (5.122) и предположим отсутствие пульсового движения жидкости, т.е. используем приближение пограничного слоя. Кроме того, левую часть вследствие малости не учитываем. Тогда уравне ние импульса можно записать в виде d ( p S ) _ 8лт|у ~S8x (5.124) S~ Используя (5.98) с учетом знака, получаем ^ d 2( uS) _ 87ir|v ди Sdx2 S (5.125) d t' Так как при принятых условиях течение не имеет колебатель ного характера, разделять скорость на среднюю и колебательную со 138 Биофизика ставляющие нет необходимости. Обозначим у = С / 8лт|, тогда урав нение (5.125) будет иметь вид з > $ ) = а, дх 2 dt Это двухпараметрическое уравнение типа уравнения тепло проводности. Используя (5.96), будем искать решение уравнения (5.126) методом разделения переменных Фурье: 1 с1Фх _ \ d F Фу dt Fl dx = const (5.127) Для нахождения функций Ф, ФхФг используем (5.127) и урав нение (5.112), являющееся следствием уравнения неразрывности: a S_ + d ( v - S ) dt дх (5.128) Для функции Ф„ используя (5.113) и (5.127), получаем урав нение: dФ — ^ -= 0 , - у Ф = 0, - у Ф , - А2 -е х р (-0 2 -Ф]). dt (5.129) В уравнении (5.129) постоянная интегрирования, обозначенная ранее в (5.112) как 0, теперь обозначена 02. Решение уравнения (5.129) имеет вид Ф j = ^ - £ Г Ч Х 20 , (5.130) где обозначено -А.2 = 0 , уАг , Е Г 1(k21) - модифицированная обратная интегральная показательная функция, так что Ei(Z) = | ехР (^ ) dZ. о % 139 I пава 5. Биофизика двигательной активности При этом учтено, что при t = 0 функция Ф](0) = 0, так как пере мещение и = 0. Функция Ф2 получается из уравнения (5.112): Ф2 = А 2 ехр[-£г 1(^2/)]■ (5.131) Для нахождения зависимостей переменных от х, умножив (5.127) на (5.122), получим уравнение для F: (5.132) Решение уравнения (5.132) через элементарные функции не нсражается. Функции F ^ x) и F 2(x) можно выразить через F, исполь•уя (5.127) и (5.112): (5.133) Используя (5.130), (5.131), (5.133), находим решение системы (5.126) и (5.128): и =F. ( x ) — Ei~l (X2t). 1 0, (5.134) При t —> оо имеем: Ei 1(X21) —> 0, поэтому для X2 > 0 имеем: S -» 0. Таким образом, решение (5.134) при X2 > 0 указывает на зажа тие трубки со временем. Если = u S , R 2 = u - решения уравнения (5.134), a R 3 = 5 и R A = \>S решения уравнения (5.126), то О также являются решетшями (5.124), а о 140 Биофизика СО CD Л] = J/)(A,)&fl., К = \ D( X) vSdX о о - решения уравнения (5.126). Следовательно, учитывая, что функции F 1 и /м о г у т зависеть от X, получим (5.135) ди dt [ B ( k ) — ^ —^-E i~ 1(Х21)ехр[-ЕГ[ (X2t)]dX. i 0 dx2 Функции В(Х) и D (k) определяются начальными и граничными условиями. Рассмотрим стационарный режим при вязком течении. Фор мулы (5.135) описывают переходный процесс. Однако опыт пока зывает, что при течении очень вязкой жидкости через короткое вре мя форма эластичной трубы достигает стационарного состояния и в дальнейшем не меняется, т.е. S = S(x) при t -» оо. Уравнение (5.126) принципиально не может описать этот режим течения. Дей ствительно, из (5.128) следует vS = Q Ф J[\). Следовательно, S du/d t =d {uSY dt Ф f i x ) , T.e. u s * / * ) и левая часть уравнения (5.126) равна нулю. Таким образом, получаем v = 0, т.е. стационарный ре жим возникает при полной остановке потока, что тривиально. Для получения формы трубы при наличии скорости учтем по следний член в уравнении (5.123). Тогда уравнение импульса приоб ретает вид 8лv д 2v S дх2 (5.136) 141 I пива 5. Биофизика двигательной активности Учитывая v = Q/S и (р = 1/5, получим 8л(р2 (5.137) дх2 Интегрируя уравнение (5.137) методом понижения порядка производной, находим ЭфУ .a y j 16л з . Г ф + (5.138) 3 ' Используя условие, что — = 0 при ф = 1/5тах, находим А ъ = дх -16/л(35шах), где 51пах в данном случае - максимальная площадь се чения эластичной трубки, возникающая в некотором месте. Умножим обе части уравнения (5.138) на 5 ^ и, перейдя к без размерному аргументу х ’ -Ху][4п / 3 5 ^ ] , получим: d(4>SmJ dx = 4 (ф 5 ™ )3 - 4 . (5.139) Решением уравнения (5.139) является эллиптическая функция Нейерштрасса: ф З ^ ~ В ( х ’ +ЛА).Таким образом, S =I 4л В х V35 т.е. (5.140) . уА. Постоянная Ал находится из условия: при х = 0 имеем S = S0, В(АЛ) = SnJ S 0. Графически {SmJ S 0)m как функция от гл + А4 представлена на рис. 5.61. Z=x \з S Рис 5.61. Изменение площади сечения эластичной трубки при устойчиво вязком течении жидкости Переход от автоколебательного к вязкому реж иму течения. Анализируя возможные ламинарные непульсовые режимы течения жидкости в эластичной трубке, можно сделать вывод, что в случае малой вязкости жидкости, или когда скорость ее достаточно велика, наблюдается автоколебательное течение, описываемое дифференци альными уравнениями (5.104) и (5.105). При высокой вязкости или малой скорости течения жидкости поток описывается дифференци альными уравнениями (5.126) и (5.128). Рассмотрим роль параметра у в уравнении (5.126). При увели чении вязкости, т.е. уменьшении у - = >где а - скорость пульсовой волны, течение жидкости все лучше описывается уравне нием (5.126), а при уменьшении вязкости или увеличении у - уравне нием (5.104). Найдем критерий подобия для уравнения (5.123). С учетом (5.98) в приближении пограничного слоя его можно записать в виде: 143 / ппна 5. Биофизика двигательной активности Примем масштабы переменных в уравнении (5.141) для сме щения М и, для скорости M v, для времени М„ для площади сосуда Ms, цни продольной координаты Мх. Тогда в безразмерном виде уравне ние (5.141) запишется M v dv' _ c d \ u S ' ) M uM s 8701v* м , S' Ъхг К где безразмерные переменные (5 142) s' м / М ' = —^— , Mv t = —— , S ' = -^ — , М, Ms и . х II = ------, х =- ми мх Учитывая, что v = Найдем (5.128): >имеем M v = M JM r безразмерную форму уравнения неразрывности M sd S ' [ M vM s d ( V' - S ' ) _ Q М td t’ М 2Х дх Следовательно, масштабы времени, скорости и продольной ко ординаты связаны соотношением: M y M s =1. Мх (5.143) С учетом (5.143) после несложных преобразований уравнение (5.142) можно записать в виде M vdv' _ d 2( u ' S ' ) a 2dt* где S ' -дх' 2 8тгг) M vM x v ’ pa2 M sS' ’ a —J C / p . Обозначим N —{ a j M v) 2 , K = — ------— -— . 8лт| M SM x 144 Биофизика Величина К в рассматриваемой задаче играет роль, аналогич ную числу Рейнольдса Re. При больших у, а следовательно, и К тече ние автоколебательное, при малых К - вязкое. Примем в качестве масштаба площади площадь сечения сосуда с невозмущенным диаметром М s =лс^2у / , масштаб продольной ко ординаты М х = d, где d - диаметр кровеносного сосуда при равенстве внешнего и внутреннего давлений р 0= р. В качестве масштаба скоро сти примем среднюю скорость потока по сосуду M v = v . Следовате льно, К = ^— = 4 v cp nd рд2 = £ g l , 32 р у ср 4т 0 (5.145) d где т 0 = ------ - напряжение сдвига на стенке сосуда, если проd филь скорости удовлетворяет закону Пуазейля. Характеристикой перехода к турбулентному течению является число Рейнольдса: рv d 8р v 2 d 8pv„, R e ^ = : _ * - = - ср- = J - J L . ЛИ 8t|vcp -с о (5.146) Так как число Рейнольдса Re является общим критерием подо бия уравнения (5.121), то значения Re и К можно сравнивать непо средственно. Очевидно, что автоколебательный режим ламинарного течения может наблюдаться до тех пор, пока поток не станет турбу лентным, т.е. должен существовать диапазон, где Re кр > —К ,’ v ср > a л/32 При скорости распространения пульсовой волны а ~ 5 м/с ав токолебания могут наблюдаться, если скорость потока крови v > 0,88 м/с. Таким образом, если скорость потока выше 0,88 м/с 145 I нпва 5. Биофизика двигательной активности и не произошел переход к турбулентности, может возникнуть неу стойчивость типа «поток-стенка», т.е. автоколебания жидкости и стенки сосуда. Оценим величину критерия перехода К от вязкого к автоколе бательному режиму течения. Уравнение (5.144) можно представить и виде: 1 Э у ' _ Эа( | Л П lv' N дГ S'-дХ'2 к s' Автоколебания могут наблюдаться, если член в левой части (5.147) и последний в правой части одного порядка. Это возможно при N ~ К кр. Обычные скорости крови в артериях vcp ~ 0,3...0,5 м/с. Скорость распространения пульсовой волны а ~ 5. . . 6 м/с, следовате льно, KKp~ N = (a/vcp)2 = 200.. .400. Необходимо отметить, что отождествлять величину N = ( a / v cp) 2 с критерием перехода к автоколебательному режиму те чения нельзя. Она скорее играет противоположную роль, поэтому при увеличении v величина падает, а соответственно левая часть и (5.147) растет. Опыт показывает, что в приведенном диапазоне скоростей при нарушении механизмов антифлаттерной стабилизации потока крови могут возникнуть автоколебания, но может сохраниться и устойчи вый режим течения. Большое значение здесь имеет наличие пульсово го потока крови. Поэтому в диапазоне К = 200.. .400 и должно лежать критическое число перехода К от вязкого к автоколебательному ре жиму течения, причем для пульсового потока, который является про воцирующим фактором, справедлива нижняя граница диапазона. С точки зрения флаттера поток в аорте и крупных артериях имеет пе реходные характеристики от вязкого к автоколебательному режиму течения. Если принять, что критическое число перехода к турбулентно сти ReKp ~ 2300, то практически всегда в аорте и крупных артериях существует диапазон чисел К, в пределах которого возможно разви тие автоколебательного режима течения. N 10 - 9844 146 Биофизика 5 .5 .4 . Биофизические особенности кровеносных сосудов разного типа В биофизике принято различать четыре типа кровеносных сосу дов: артерии эластичного типа, артерии мышечного типа, капилляры, вены. Их функциональное предназначение в системе кровообращения неодинаково. Артерии эластического типа (или амортизирующие кровеносные сосуды) поддерживают кровоток во время диастолы сердца и тем самым обеспечивают непрерывность движения крови в сосудистой системе. Артерии мышечного типа (или резистивные кровеносные сосуды) создают переменное сопротивление кровотоку и, следовательно, регулируют уровень КД в системе кровообращения, а также объёмную скорость кровотока в каждом из органов. Капилляры В капиллярах (обменных кровеносных сосудах) осуществляет ся обмен веществ между кровью и тканями, ради чего существует вся сердечно-сосудистая система. Поэтому капилляры зачастую называ ют центральным (главным) её элементом. Их характерной особенно стью является то, что сосудистая стенка образована одним слоем эн дотелия, содержит тонкую базальную мембрану при отсутствии мышечной и адвенитициальной оболочек. Диаметр капилляра от 5-7 до 10 мкм, а длина от 0,5 до 1,1 мм, но если все капилляры человека приложить друг к другу конец в ко нец, то общая длина составит 100000 км. Ими можно опоясать Землю по экватору 2,5 раза. Общая площадь обмена через стенки капилляр ного русла превышает 1000 м2. В 1 мм3 тканей человека содержится в среднем 600 капилляров, но в разных тканях этот показатель неоди наков: в миокарде, головном мозге, почках и печени он достигает 3000, в скелетных мышцах - 300-400 (в тонических даже 100), а в ко стной и жировой тканях и того меньше. Линейная скорость капиллярного кровотока порядка 1 мм • с-1 (от 0,05 до 1,93 мм • с*1) и, следовательно, каждая частица крови про ходит капилляр от начала до конца примерно за 1 с. Эритроциты мо гут двигаться в нём как поодиночке, так и объединёнными в группы, содержащие от 3-4 до 8-10 штук. Прослойки плазмы внутри такой группы имеют размер вдоль оси капилляра от 0,5 до 1 мкм, а между I пава 5. Биофизика двигательной активности 147 группами - по 10-15 мкм. Упакованные в одну группу эритроциты имеете с находящейся между ними плазмой составляют единое целое н кинетическом отношении, т.е. не изменяют своих параметров при прохождении через капилляры. Основная масса эритроцитов подвергается в капиллярах про дольной деформации. Деформированный эритроцит имеет форму копокола, обращённого выпуклым концом по направлению кровотока. При колокообразной деформации эритроцита площадь его поверхно сти увеличивается примерно на 10%. Эритроциты могут протиснуться через капилляры и меньшего диаметра, чем 7 мкм. При исследовании этого процесса на поликарбональных фильтрах было установлено, что эритроциты проникают через поры, диаметр которых 2,4 мкм. Если скорость капиллярного кровотока падает до 0,1-0,2 мм • с-1, то эритро циты образуют агрегаты по 20-50 клеток в виде монетных столбиков. И них эритроциты сохраняют форму двояковогнутых дисков, но утра чивают способность к пластической деформации, вследствие чего мо гут закупорить микрососуды. Их локальную закупорку нередко созда ют лейкоциты, даже не объединённые в агрегаты, поскольку они деформируются в гораздо меньшей степени, чем эритроциты, под дей ствием как продольных, так и радиальных сил. В зависимости от ультраструктуры организации стенки раз личают 3 типа капилляров: 1) с непрерывной стенкой, причём эндо телиальные клетки с диаметром пор в плазмолемме 4-5 нм уложе ны наподобие черепицы - проницаемость стенки таких капилляров наименьшая по сравнению с другими (капилляры с непрерывной стенкой присущи мышцам, лёгким, жировой ткани); 2) с фенестрированной (окончатой) стенкой - диаметр «окон» в ней достигает 100 нм, что обеспечивает их лучшую проницаемость, например, и почечных капиллярных клубочках и в слизистой оболочке кишки; 3) с прерывистой стенкой - за счёт крупных пространств (с линей ными размерами более 10 мкм), например, между эндотелиальными клетками в капиллярах костного мозга, печёночных и селезёночных синусах, где проницаемость капиллярной стенки наибольшая. Че рез эндотелиальную стенку капилляра может «протиснуться» даже лейкоцит. 10* 148 Биофизика Вены Вены являются ёмкостными кровеносными сосудами. Благода ря выраженной пластичности они могут сильно деформироваться (растягиваться) и вмещать много крови без развития напряжения в сосудистой стенке. При повышении венозного КД на 10 мм рт. ст. вместимость венозного русла большого круга кровообращения уве личивается в 6 раз. Поэтому вены называют резервуаром крови с пе ременной (регулируемой) ёмкостью. Ими образованы кровяные депо организма, которые в покое содержат 40—50% всего объёма крови (примерно 1,5 л в венозных синусах селезёнки, до 1 л в венозных сплетениях кожи и т.д.). Во всех венах большого круга сосредоточе но до 80% крови, протекающей по нему. Кровь течёт по венам под действием двух сил: «vis a tergo» (действующая сзади) и «vis a fronte» (действующая спереди). Первым термином прежде всего обозначают силу, которая обусловлена меха нической энергией, сообщенной крови сердцем во время систолы и сохранившейся после кровотока по артериям и капиллярам. Оста точная энергия в венулах большого круга кровообращения составля ет в покое не более 13% работы левого желудочка (13% от 0,92 Дж за 1 систолу). Это основной компонент vis a tergo. Дополнительными служат массирующее действие пульсирующих рядом с венами арте рий и, в большей степени, сокращения скелетных мышц, сжимаю щие венозные сосуды и проталкивающие кровь. Такое проталкива ние действует в одном направлении (к предсердиям) благодаря наличию в венах клапанов. Движению крови в венах конечностей способствует то обстоятельство, что они образуют с артериями сооб щающиеся сосуды. Вторая сила обусловлена присасывающим действием на кровь грудной клетки («дыхательного насоса» и отчасти смещения в сторо ну желудочков предсердно-желудочковой перегородки в опре делённую фазу сердечного цикла). КД в правом предсердии называ ется центральным венозным давлением (ЦВД). На выдохе оно повышается, а на вдохе понижается. При понижении ЦВД от 0 до 4 мм рт. ст. приток венозной крови в правое предсердие возрастает на 20-30%. Однако дальнейшее снижение ЦВД ухудшает кровоток, поскольку это приводит к спадению вен. Пределы изменений ЦВД, I ihwb 5. Биофизика двигательной активности 149 при которых сердце работает устойчиво, лежат в диапазоне от 0,010,05 кПа до 0,1-0,12 кПа. Средняя величина ЦВД у здорового челоиска в покое от 0,04 до 1,12 кПа. Аорта Под действием крови, выбрасываемой в систолу левым желу дочком, происходит растяжение аортальной стенки, обладающей упругими свойствами. Согласно закону Гука, в ней развивается сила упругости: F ynp = к ■х. Оценим значения х и А:для аортальной стенки. ( уществует связь между Fynp, давлением (р), под действием которого сосуд растягивается, и параметрами этого сосуда: Fynp = р • 2rl, где г радиус, / - длина сосуда. При колебаниях давления крови в сосуде тменяется главным образом его просвет, а длина остается практиче ски неизменной. Следовательно, х в уравнении Гука для аорты - ни что иное как изменение её диаметра. При рентгенографии аорты об наружили, что в систолу её диаметр увеличивается примерно на 10% относительно своего диастолического значения. Коэффициент упру гости (к) определяется преимущественно эластическими волокна ми, хотя в аортальной стенке присутствуют наряду с ними коллаге новые волокна. На гистологических препаратах аорты коллагеновые волокна имеют волнистую (гофрированную) форму, обусловленную их сво бодной (рыхлой) укладкой среди других структур, пребывающих н недеформированном состоянии. Под действием повышения КД и физиологических пределах коллагеновые волокна только распрям ляются, но не растягиваются. Деформация сети коллагеновых воло кон создаёт так называемые термокинетические упругие силы, но их величина незначительна вследствие малого значения коэффициента упругости в этом процессе. Высокая упругость коллагеновых воло кон, выражением чего является значительный модуль Юнга (108IО9 Па), свойственна им при растяжении, а не при распрямлении, при котором возникают термокинетические упругие силы. Иными слова ми, значительная упругость коллагена проявляется только под дей ствием больших усилий, выходящих за пределы физиологических значений КД. Благодаря коллагеновым волокнам стенки артерий здо рового человека не разрушаются даже при 5-10-кратном повышении 150 Биофизика КД. Следовательно, коллагеновые волокна обеспечивают артериаль ной стенке не упругость, а жёсткость и прочность. Напротив, эластические волокна аортальной стенки растягива ются при обычных колебаниях КД во время систолы сердца. В эласти ческих волокнах возникает сила упругости в соответствии с законом Гука. Коэффициентом пропорциональности между Fynp и величиной растяжения стенки аорты при повышении КД служит модуль Юнга эластических волокон, равный (0,4-1,0)- 106 Па. Эластическим во локнам аорты в физиологических условиях свойственна экспоненци альная зависимость силы упругости от степени растяжения. При бо лее сильном растяжении устанавливается линейная зависимость, а чрезмерно растянутые эластические волокна разрываются. Сопоставление вклада эластическихи коллагеновых волокон в упругие свойства артериальной стенки подтверждает важный прин цип биомеханики: анализ механических свойств тканей организма необходимо проводить с учётом реальных сил, действующих на них. Так, если судить по модулю Юнга, коллагеновые волокна обладают более выраженными упругими свойствами по сравнению с эластиче скими. Однако упругость коллагеновых волокон не может проявить ся при естественных колебания КД в артериях, поскольку в таких ус ловиях, как говорилось выше, эти волокна не растягиваются, и сила упругости за их счёт не развивается (в уравнении Гука х = 0). Внут реннее напряжение (с,п() аортальной стенки определяется главным образом упругостью эластических волокон, хотя их основной белок (эластин) является менее упругим материалом, чем коллаген. Не слу чайно в аорте содержится много эластина, причём он сосредоточен преимущественно в грудном отделе. Тамэластин составляет 30% су хого остатка (в 1,5 раза больше, чем коллаген). В брюшном отделе аорты содержание эластина ниже - 10%, а в бедренной артерии только 4-5%, хотя она наряду с аортой относится к артериям эласти ческого типа. Отношение эластина к коллагену в стенках перифери ческих артерий равно не 1,5 (как в грудном отделе аорты), а 0,5. По этому модуль Юнга в артериях большого круга кровообращения увеличивается к периферии. Периферические артерии обладают большей жёсткостью. i ними 5. Биофизика двигательной активности 151 Среди артерий эластического типа важнейшую роль играет /мРной отдел аорты. С ним главным образом связана основная функция сосудов этого типа - обеспечение непрерывности кровото ки Источником энергии служит миокард. Его работа имеет два комшшспта: статический и динамический, причём на долю первого из них (А„) приходится 98% всей энергии сократившегося сердца. А п шIрачивается на растяжение стенок артерий (прежде всего, грудноIII отдела аорты). Накопив энергию во время систолы, аортальная | и-пка отдает её крови, когда сердце пребывает в расслабленном со• пшпии и не поставляет кровь в сосудистое русло. Благодаря упруии ти артерий эластического типа кровь не останавливается и в диа| юлу сердца, когда потенциальная энергия растянутой стенки >i|t Iсрии эластического типа преобразуется в кинетическую энергию |||1 0 В И . Механизм функционирования грудного отдела аорты был изу чен в прошлом веке физиологом Э. Вебером, в трудах которого он назывался феноменом «Windkessel». В отечественной литературе ног немецкий термин переводится как «воздушный колпак». ВстреIпн такой термин, не стоит думать, будто в аорте содержится воздух. Иебер воспользовался технической терминологией, заподозрив ананогию между артериями эластического типа и пожарной помпой, и которой непрерывность струи при ритмичном качании двух руко|| гок обеспечивается созданием воздушной подушки в стальном реырвуаре насоса. Воздух там находится под давлением, создаваемым циклической работой двух людей, попеременно пригибающих рукоигки. Этим давлением в пожарной помпе определяется потенциальння энергия сжатого воздуха, которая преобразуется в кинетическую •псргию водяной струи. В стенке аорты потенциальная энергия свяшна не со сжатием воздуха, а с упругими усилиями, возникающими и растянутых эластических волокнах. Поэтому эффект накопления потенциальной энергии аортальной стенкой во время систолы лучше называть феноменом не «воздушного колпака», а «компрессионной камеры» (этот термин также используется в научной литературе). Упругость аортальной стенки обуславливает ещё одно важное паление - возникновение и распространение пульсовой волны по стенке артерий. Дело в том, что Fynp, развивающаяся при растяже- 152 Биофизика Рис. 5.62. Разложение силы упругости (Fy„p), возникающей в стенке аорты при её растяжении выбрасываемой сердцем кровью, на нормальную (FE) и тангенциальную (FT) составляющие. Цифрами обозначены положения аортальной стенки в диастолу (1) и систолу (2) нии аорты, направлена не строго перпендикулярно к оси сосуда (рис. 5.62) и может быть разложена на нормальную и тангенциаль ную составляющие. Непрерывность кровотока обеспечивается пер вой из них, тогда как вторая является источником артериального им пульса, под которым понимают упругие колебания артериальной стенки. Заметим, что FH гораздо больше преобладает над F t, чем по казано на рис. 5.62. На создание пульса затрачивается незначитель ная часть силы упругости растянутой аорты. Пульсовая волна распространяется от места своего возникно вения до капилляров, где затухает. Скорость её распространения (ап) можно рассчитать по формуле где Е - модуль Ю нга сосудистой стенки, b - её толщина, г - радиус сосуда, р - плотность тканей сосудистой стенки. Общую характеристику пульсовой волны врач получает при пальпации артерии, но более полные сведения даёт регистрация кри вой артериального пульса, которая называется сфигмограммой (рис. 5.63). Записав сфигмограммы в двух точках артериальной маги страли и измерив сдвиг фазы между ними, можно определить ско I tinea 5. Биофизика двигательной активности 153 рость пульсовой волны в стенках исследуемых артерий и по ней су пить об их модуле Юнга. Из формулы, приведённой выше, следует, чго при поддержании р, Ь, г неизменными ап однозначно определяет1 Я модулем Юнга. Следовательно, ап можно принять в качестве конпчесгвенного показателя упругих свойств артерий эластического мша - тех свойств, благодаря которым они выполняют свою основ ную функцию. Скорость пульсовой волны в аорте составляет 4-6, и в лучевой артерии - 8-12 м • с-1. При склеротических изменениях артерий повышается их жёсткость, что проявляется в нарастании ап. (' возрастом скорость пульсовой волны увеличивается. Чем выше уп ругость артериальной стенки, тем больше амплитуда колебаний кро вяного давления в аорте и крупных артериях. Высокоамплитудные колебания КД создают дополнительную нагрузку на сердце и усили вают деформацию сосудистых стенок. Волна артериального пульса - сложное периодическое колеба ние, которое по теореме Фурье раскладывается на сумму гармоник, чьи частоты кратны основной, равной частоте сердечных сокраще- Рис. S.63. Сфигмограммы, записанные двумя датчиками пульсовых колебаний, расположенными в разных точках артериального русла. Под сфигмограммами - отметки времени, t j —время запаздывания сфигмограммы,зарегистрированной дистальнее 154 Биофизика ний. Достаточно 4-5 гармоник для хорошего аппроксимирования сфигмограммы. Более сложным является венный пульс - колебания стенок ве нозных сосудов. Он возникает в венах, впадающих в предсердия, и распространяется по направлению к капиллярам. Амплитуда вен ного пульса ниже, чем артериального, что обусловлено прежде всего меньшей упругостью оболочек венозных сосудов. Кривая венного пульса называется флебограммой. Следовательно, от сердца к капил лярному руслу движутся навстречу друг другу две пульсовые волны (артериальная и венная), и обе угасают в капиллярах. Артериолы большого круга кровообращ ения Из артерий эластического типа кровь поступает в резистив ные сосуды, обладающие гладкомышечными клетками (ГМК), ко торые способны, сокращаясь, активно изменять просвет сосудов. Тем самым регулируется гемодинамическое сопротивление, от ко торого, в свою очередь, зависят объёмная скорость кровотока в ор ганах, васкуляризируемых этими сосудами, и кровяное давление. Следовательно, резистивные сосуды - важнейшие регуляторы ге модинамики. Типичными представителями артерий мышечного типа явля ются артериолы большого круга кровообращения. Такое название имеют мелкие артерии диаметром от десятка до сотни микронов с общим структурным признаком - наличием выраженной гладкомы шечной оболочки, на долю которой приходится значительная часть общего диаметра сосуда (табл. 5.2). Мощной мышечной оболочкой обусловлено основное функ циональное свойство артериол - активный сосудистый тонус, под которым понимают регулируемое тоническое сокращение гладкомы шечных клеток сосудистой стенки. Они имеют веретенообразную форму со значительным преоб ладанием длины (от 50 до 400 мкм; в среднем, 200 мкм) над толщи ной (диаметр у экватора - от 2 до 10 мкм; в среднем, 4,7 мкм). Распо ложены циркулярно, т.е. ориентированы по окружности сосуда поэтому при их сокращении длина окружности, а значит, и просвет сосуда уменьшаются. 155 / /шва 5. Биофизика двигательной активности Таблица 5.2 Приблизительный тканевой состав микрососудов (К. Каро, Т. Педли, Р. Шротер, У. Сид, 1981) Тканевой состав, % Типы кровеносных сосудов эндотелии (во внутренней оболочке tunicae intimae) мышечная ткань (в средней оболочке tunicae mediae) соединительная ткань (в наружной оболочке tunicae adventitiae) 10 100 60 30 Капилляр 0 о Венула 20 20 60 Лртериола Между ГМК имеются щелевые контакты, обеспечивающие электрическое взаимодействие посредством нексусов. Нервные во локна, иннервирующие ГМК, не образуют концевых пластинок м нервно-мышечных синапсов на каждой клетке. Медиаторы выделя ются по ходу аксонов, особенно в их утолщениях (варикозах), и воз действуют сразу на многие ГМК, усиливая или ослабляя их сокраще ние. При электрической стимуляции аксонов, иннервирующих гладкие мышцы, одиночными импульсами ГМК не сокращаются. Для этого нужна серия импульсов частотой не менее 1 Гц. Различают 2 типа сосудистых ГМК: 1) спонтанно активные (например, в стенке воротной вены) и 2) спонтанно неактивные. I) артериолах доминируют ГМК второго типа. Их сарколемма обла дает довольно низкой проницаемостью для К+, но всё же потенциал покоя составляет от -5 0 до -7 0 мВ (из них около 8 мВ генерируется благодаря стехиометрии K-Na-АТФазы). При возбуждении ГМК возникают потенциалы действия, в образовании которых потенциал зависимые натриевые каналы не участвуют. Считается, что их нет и сарколемме ГМК. Зато там присутствуют потенциалзависимые ка льциевые каналы. Поэтому входящий ток исключительно кальцие вый - Isi. За счёт него деполяризация ГМК развивается медленно с овершутом не более 5 мВ. Скорость распространения таких потен циалов по сарколемме 0,02-0,1 м • с-1. Реполяризация очень вялая, и общая продолжительность потенциала действия может достигать нескольких секунд. 156 Биофизика В течение всего потенциала действия ГМК сокращается, по скольку в неё входит Са2+ из интерстиция через кальциевые каналы в сарколемме, блокада которых расслабляет гладкие мышцы. Именно потоку ионов кальция через сарколемму принадлежит ведущая роль в электромеханическом сопряжении, происходящем в ГМК . Их саркоплазматическая сеть развита слабо. Для сокращения ГМК необхо димо повысить концентрацию Са2+ подле актиновых и миозиновых филаментов от 10“7до 10~5 М. При [Са2+],. около 2 • 1O'6 м наблюдается сокращение в половину максимального, а при [Са2+], примерно КГ* М - максимальное. Са2+ соединяется не с тропонином, которого в ГМК нет, а с лейотонином или кальмодулином, благодаря чему устраняется тропомиозиновая блокада активных центров на актиновых нитях для голо вок миозина. Характерной особенностью ГМК является значительное преобладание в содержании актина над миозином. Их соотношение здесь в 10 раз больше, чем в миоцитах скелетной мускулатуры. В ак тине ГМК иная последовательность аминокислотных остатков, чем в актине кардиомиоцитов и миоцитов скелетных мышц мышц. Дру гое важное отличие ГМК от них состоит в том, что с актином может взаимодействовать только фосфорилированный миозин. Катализато ром такого фосфорилирования служит киназа лёгкой цепи миозина, а её активирует комплекс Са2+ с кальмодулином и цАМФ. Следова тельно, взаимодействие с кальмодулином входящих в клетку ионов кальция не только устраняет тропомиозиновую блокаду активных центров для миозина на актиновой нити, но и позволяет ему проявить свою АТФазную активность, которая на порядок ниже, чем у миозина скелетных мышц. Актиновые и миозиновые филаменты в ГМК расположены не столь упорядоченно, как в других миоцитах, и по-видимому, не обра зуют миофибрилл. Гладким мышцам не свойственна поперечная исчерченность. К особенностям сократительного процесса в ГМК сле дует отнести весьма низкие скорости их укорочения и гидролиза АТФ - они на 2-3 порядка ниже, чем в других мышечных клетках млекопитающих. Вместе с тем по силе сокращения ГМК значительно превосходят другие миоциты. I ппва 5. Биофизика двигательной активности 157 Сочетание низкой скорости гидролиза АТФ с большой силой сокращения свидетельствует о невысоком уровне так называемой стоимости силы. Не случайно запас макроэргов в ГМК сосудов н 10-15 раз, а расход АТФ в 5-10 раз меньше, чем в миоцитах скелет ной мускулатуры. Общая масса всех сосудов тела человека на поря док больше массы миокарда, но на выполнение своей работы они расходуют вдвое меньше энергии, чем сердце. Соответственно, ГМК сосудов потребляют кислорода примерно в 2 раза меньше, чем серд це. Благодаря этим свойствам ГМК сосудов приспособлены к длите льному тоническому сокращению с небольшими энерготратами и без развития утомления. Гладкие мышцы артериол находятся в состоя нии непрерывной активности, что служит важным фактором поддер жания регулируемого сосудистого тонуса. Сосудистый тонус создаётся и поддерживается несколькими механизмами. Первым из них является возникновение силы упруго сти при растяжении соединительнотканной наружной оболочки аргериолы - tunicae adventitiae (её называют «сумкой» артериального сосуда, удерживающей его в определённом состоянии и пассивно релгирующей на растяжение кровью созданием силы упругости в соот ветствии с законом Гука). Второй механизм связан с уникальным свойством ГМК - способностью отвечать на растяжение их кровью генерацией потенциалов действия, инициирующих активное сокра щение этих клеток. В ГМК, обладающих автоматией (в спонтанно активных ГМК), третьим механизмом являются их автоматические (спонтанные) сокращения. Три перечисленных процесса создают так называемый базальный сосудистый тонус, для которого характерно относительное постоянство. Вместе с тем сосудистый тонус даже в покое обусловлен не то лько базальным тонусом, но и сокращениями ГМК под влиянием нервных импульсов, поступающих к ним по вегетативным (главным образом, симпатическим) нервным волокнам. В совокупности с база льным тонусом тонические сокращения ГМК под влиянием управля ющих сигналов формируют сосудистый тонус покоя. В сократив шейся ГМК модуль Юнга на порядок больше, чем в расслабленной, а увеличение её жёсткости пропорционально повышению внутренне го напряжения при сокращении. 158 Биофизика Управление сосудистого тонуса сигналами, идущими к ГМК по нервным волокнам, и физиологически активными веществами (в частности гормонами), к которым чувствительны ГМК, приобре тает особое значение не в стационарном, а в переходном режиме, когда возникает потребность в перераспределении крови между со судами, питающими его разные органы, если изменяется их функци ональная активность. Изменения сосудистого тонуса приводят к сужению или рас ширению просвета артериол и, следовательно, оказывают выражен ное влияние на гемодинамическое сопротивление, которое, согласно уравнению Пуазейля, пропорционально четвёртой степени радиуса кровеносных сосудов. За счёт активного сосудистого тонуса артери олы наиболее эффективно выполняют основные функции артерий мышечного типа: 1) поддержание определённого уровня КД в систе ме кровообращения; 2) перераспределение крови между органами в зависимости от потребности в ней каждого из них. Для эффективного обмена веществ через стенку капилляра до статочно поддерживать КД на уровне 10-15 мм рт. ст. Однако в сер дечно-сосудистой системе создаётся примерно десятикратное превы шение этого уровня. На первый взгляд, оно невыгодно как в энергетическом отношении, так и в связи с разрушающим воздей ствием на сосуды. Чтобы понять необходимость избыточного КД в артериальном русле, обратимся к роли водонапорной башни в во допроводной сети. При наличии большого количества потребителей воды (например, людей, пользующихся одной водопроводной сетью) и случайном распределении во времени потребностей каждого из них в воде необходим «подпор» в водопроводе, т.е. избыточное дав ление, которое может обеспечить ток воды при открытии как одного, так и всех кранов водопроводной сети. Можно- удовлетворить боль шие потребности в воде иначе - за счёт подачи в водопровод значи тельного запаса резервной воды. В водопроводных системах эти спо собы комбинируются. В организме ограничены возможности создания запаса крови в большом объёме. Правда, существуют кровяные депо, которые в со стоянии покоя содержат до 2/3 всей крови. При нагрузках этот запас уменьшается. И все же основным средством достаточной поставки I /шив 5. Биофизика двигательной активности 159 кропи всем органам, которые в данный момент испытывают в ней пофсбность, служит поддержание избыточного давления в системе кро вообращения. Это позволяет существенно изменять объёмную ско рость кровотока, обходясь сравнительно небольшим количеством крови (масса крови у человека составляет 1/13 часть массы тела). Та ким образом, артерии мышечного типа предназначены для поддержа ния в системе кровообращения такого избыточного давления, которое обеспечивает надежное перераспределение крови между органами в любых условиях. Поэтому артериолы по их функциональному назна чению могут быть уподоблены водонапорной башне - они создают вподпор» кровяного давления в артериальном русле. Нарушение этой функции артериол приводит к коллапсу (тяжёлому обмороку с потерей сознания при остро развивающейся сосудистой недостаточности, вы ражением которой является прежде всего падение КД). Таким образом, именно ГМК артериол большого круга предопределяют работу, кото рую должно совершить сердце (миокард левого желудочка), чтобы преодолеть общее периферическое сопротивление сосудов (ОПСС). Вторая функция артерий мышечного типа - перераспределение крови между органами в зависимости от потребности в ней - обеспе чивается работой артериол в качестве сосудистых кранов. Это меткое образное определение принадлежит И. М. Сеченову. Из уравнения Пуазейля, разрешенного относительно Q, прямо следует, что в зави симости от просвета артериол меняется объёмная скорость кровотока и органе, которому они принадлежат, причем её изменения пропор циональны изменениям радиуса этого просвета в четвёртой степени. За счёт изменения тонуса артериол, находящихся в скелетных мышцах, объёмная скорость кровотока в них увеличивается при физи ческой работе в несколько десятков раз. Кроме того, с регуляцией со судистого тонуса непосредственно связано перераспределение крови между внутренними органами и кожей при том или ином уровне теппообмена организма с внешней средой. Даже в пределах одного органа происходит непрерывная «игра сосудов»: одни артериолы суживают ся, другие - расширяются. В результате масса крови в разных участках органа беспрестанно перераспределяется, чем достигается наилучшее кровоснабжение при минимальном уровне работы сердечной мышцы. 160 Биофизика Артериолам принадлежит большая роль в развитии ряда пато логических процессов. Гипертоническая болезнь связана с их стой ким сужением (спазмом). При гипотонических состояниях сосуди стый тонус ослаблен. 5 .5 .5. Математические модели кровообращения Сердечно-сосудистая система. Первые модели кровообраще ния описывали деятельность сердца в замкнутой гемодинамической цепи. При этом контуры рефлекторной регуляции предполагались разомкнутыми, а показатели насосной функции сердца и резистив но-емкостные свойства сосудистого русла могли изменяться по воле экспериментатора. Эти свойства рассматривались как входы модели, а выходами служили основные показатели гемодинамики (минутный объем крови и кровяное давление) в различных частях системы, пре жде всего в участках, прилегающих к сердцу. Во всех моделях сосудистое русло представлено в виде сети из участков с сосредоточенными параметрами. Описания гемодинами ки в г-м участке системы практически одинаковы в разных моделях и имеют вид г _ (Рг ~ Р м ) п (5.148) (5.149) (5.150) о где Q{, 6i_, - объемная скорость на выходе и входе г-го участка; Vi объем крови в г-м участке; р { - давление; R { - сопротивление между г-м и (г + 1)-м участками, С, - растяжимость; щ - ненапряженный объем; Voi - начальное наполнение участка. В некоторых моделях учитывается также инерционность кровотока и вязкие свойства сосу- 161 / /шва 5. Биофизика двигательной активности R1 \- И - н = ь R2 /3 W— CD- п т —О ^ i'9 \ Ж \ c34 \ i7 18 _ 4 C4 4 X IPs ™ / /11 ^ гч / no Cs i'12 / Puc. 5.64. Электрический аналог математической модели сердечно-сосудистой системы: р - давление крови, i - кровоток, R - сопротивление сосудов кровотоку, С - растяжимость сосудов, Е - объемная жесткость желудочков сердца диетой стенки в участках аорты (R '). В этом случае уравнения ( V 148), (5.149) имеют соответственно вид: dV. , D / П \ ^ ---- ------------- + ( К . — U . ) dQ _ ( Р , - Р М - R , Q , ) „ „ _ dt ' ' P ■ --------------------------------------------------- , dt Li ‘ C, ----------------------------------------------------------------И P , где p - плотность Li - инерционность кровотока, т е . L .= — $i крови, S - площадь сечения сосуда. Приведенные выше уравнения аналогичны описанию элекIрических RLC-цепей, поэтому модели сердечно-сосудистой систе мы нередко иллюстрируют соответствующими электрическими схемами (рис. 5.64). Создаются такие модели для исследования ха рактеристик сердечно-сосудистой системы как объекта управления. Поскольку в замкнутую гемодинамическую цепь включен саморе гулирующийся насос (сердце), модели используются также для оп ределения общих саморегуляторных свойств сердечно-сосудистой системы. Несмотря на то, что большинство моделей неуправляемой системы кровообращения динамические, на практике исследования с их помощью проводятся в установившихся режимах. При этом i дс T T 162 Биофизика изучаются статические зависимости таких важнейших переменных гемодинамики, как минутный объем крови Q, средние величины системного Р а и легочного артериального Рар, центрального P v и ле гочного венозного P vp давлений от параметров, характеризующих состояние сердца и сосудов. В качестве последних рассматривались общее периферическое сопротивление R, растяжимость С и нена пряженный объем и сосудистого русла или его частей, общий объ ем крови V, частота сердечных сокращений, показатель сократимо сти (инотропного состояния)сердца. Целью модельного анализа было прежде всего определение чувствительности переменных к изменению параметров и отно сительной роли сердечных и сосудистых факторов в регуляции гемодинамики. Статические модели сердечно-сосудистой системы позволяют получить и исследовать аналитические выражения, свя зывающие переменные кровообращения с параметрами, характери зующими насосную функцию сердца и резистивно-емкостные свой ства сосудистого русла. Выведена формула для минутного объема крови: у А мин р ms ~ P v ) { C y + С а) C vR v + C a( R v + R ay (5.151) где р т - среднее системное давление; индексами а и v обозначены величины, соответствующие артериальному и венозному участкам системы кровообращения. Проведен анализ зависимости минутного объема крови от условий притока крови к сердцу (венозного возвра та). Показано, что изменения венозного сопротивления оказывают значительно большее влияние, чем артериального. Модель статики сердечно-сосудистой системы, состоящей из правого и левого желудочков сердца, двух системных (артериально го и венозного) и двух легочных участков, имеет вид: Q = aPv + b = a P vp + р = 163 I нива 5. Биофизика двигательной активности Здесь (5.153) Уa +У, +У„П+У,п =Уa v ap vp Индексом р обозначены величины, относящиеся к сосудам лег ких. Коэффициенты а, b и а , (3 характеризуют насосную способность исвого и правого желудочков сердца в соответствии с описанными выше данными о статических характеристиках сердца и зависят от чистоты сокращений н инотропного состояния сердца. Эта зависи мость может быть раскрыта, например, с помощью приведенной выше модели статики изолированного желудочка следующим обра зом (величины с индексами R и L соответствуют правому и левому желудочкам сердца): д_ з к С Й( 1 - А Й) ш b _ (ku/t ~ uo) 0 ~ Л ) . (1 -(1 -& М д ) Г ’ ( 1 - ( 1 - * ) Л я )Г ’ \ kC L{\~AL) ш (5.154) где к -показатель инотропного состояния сердца, эксперименталь ным аналогом которого является изгоняемая фракция желудочка, F частота сердечных сокращений (ударов/мин.) Решение приведенной системы уравнений дает формулы для основных гемодинамических переменных: 164 Биофизика V - и +Р С р -+■ b C s - Q = ----------а с a г ’ R C n + R C e p + - t + -JL а a (5155) Pa = Q ( R + a ~ i ) - - , a (5.156) Pnp= Q ( R + cT 1) - ^ , a (5.157) Pv = — ^ = — a (5-158) • (5-159) Здесь Cp = С + Cop - суммарная растяжимость малого, a Cs = = Ca + Cv - большого круга кровообращения; и - суммарный нена пряженный объем сосудистого русла. Формулы (5.155) - (5.159) позволили провести анализ чувстви тельности Q и Ра к изменению регулируемых параметров k, F, D v = = 1/СУ' G = MR, V по следующей методике. По литературным данным были выбраны два исходных уровня параметров кровообращения, соответствующие двум состояниям организма человека: а) в случае покоя; б) в случае интенсивной физической нагрузки. Для обоих состояний определялись функции чувствителыю8Q , — ЭРа— С - параметр из множества {к, ГТ F, F сти — (где а, - варьируемый да.' д а . D r, G, V)), при условии постоянства (на одном из двух принятых уровней) остальных параметров. Показано, что чувствительность Q к изменению какого-либо параметра связана обратной зависимо- / пава 5. Биофизика двигательной активности 165 стыо с этим параметром и прямой - с остальными. Аналогичный вывод можно сделать для чувствительности Р а, если во множестве параметров рассматривать не G (общую проводимость сосудистого русла), a R. Рассмотренные выше модели неуправляемой сердечно-сосуди стой системы представляются на первый взгляд крайне упрощенны ми и в силу отсутствия регуляторных связей далекими от практики. ()днако именно они нашли в настоящее время наибольшее применеине в экспериментальных исследованиях и клинике, поскольку в усIлиовившихся режимах соотношения между переменными и пара метрами действительно определяются формулами (5.155)—(5.159) или близкими к ним. Следовательно, если известны истинные значе ния параметров, характеризующих сердце и сосуды (k, F, R,, Ц , V), то по формулам (5.155) - (5.159) могут быть найдены истинные значе ния переменных (Q, Ра, P v и др.). Наоборот, если известны для данно го состояния организма значения переменных кровообращения, то подставляя их в формулы (5.155) - (5.159), можно решить получив шуюся систему уравнений относительно ее параметров, определив таким образом состояние насосной функции сердца и сосудистого русла. Для изучения регионарного кровообращения использованы ма тематические модели, учитывающие особенности геометрии сосуди ст ото русла, биофизические свойства сосудистой стенки и гетероген ность крови. В принципе все известные математические модели регионар ного кровообращения можно разбить на модели кровотока в единич ном сосуде, модели кровотока в системе сосудов без учета регуля торных и управляющих механизмов, модели управления сосудистой сстыо, учитывающие определенные регуляторные и управляющие воздействия. В первых двух типах используется биофизический под ход, а модели третьего типа представляют собой формализованные системы, исследование которых основано на применении методов теории автоматического управления. В задачу анализа последних входит определение зависимостей между гемодинамическими харак 166 Биофизика теристиками сети, геометрическими параметрами, реологическими свойствами стенки и крови, а также параметрами регулирования кро вотока в различных режимах работы органа. Математическое описание регионарной и системной гемодина мики базируется на методах механики сплошных сред, т.е. уравнени ях Навье - Стокса или на реологическом описании движения крови с учетом ее неньютоновских свойств. Распространенным, хотя и весьма приближенным способом описания гидродинамики, являет ся применение уравнения Пуазейля. Гемодинамику в каждом из участков сосудистого русла можно адекватно описать с помощью упрощенных линеаризованных урав нений типа Навье-Стокса и уравнения неразрывности: ^L = -L.^--R .Q ., dx ' dt ^ ' ?&L = - C . ¥ j - - G . P . . дх ' dt (5.160) V ' Здесь Р, - давление крови; Qi - объемная скорость кровотока; Л„ С„ (7„ L t - соответственно эквивалентные значения сопротивления, по датливости стенки, утечки и инерционности потока рассматриваемо го участка сети; i - номер участка; х - фиктивная пространственная координата, связанная с номером (порядком ветвления) участка со судистой сети. Коэффициенты уравнений (5.160) являются перемен ными величинами, зависящими от геометрических и биофизических свойств сосудов, и определяются из соотношений: I пп.г. II 49 i t пп.г. II 2 с 1 г- £ Е.Iо.t ( 5 . 161) 4 7 где Т)( - динамическая вязкость крови; л, - количество сосудов в данном участке; г, - средний радиус сосудов /-го участка; р - плот ность крови; Ej - модуль упругости Юнга для сосудов данного участ ка; 8, - толщина стенки сосуда. Система уравнений микрогемодинамики решается вместе с урав нениями, описывающими влияние упруговязких свойств стенки: 167 I пава 5. Биофизика двигательной активности dt лД8 J 2Л к уравнением, учитывающим сократительную активность гладкой мускулатуры стенки под влиянием импульсации водителей ритма: ^ ^ ) = a x(p - p u ) +a d P _ a f _ dt PM dt (5.163) В уравнениях (5.162) и (5.163) r0 - радиус сосуда, а 5 толщина сосудистой стенки при нулевом трансмуральном давлении Р = Р е; ! \ - давление окружающей сосуды среды; Т)с - модуль вязкости мате риала стенки; Д,г, Д2г - изменение радиуса сосудов под действием соответственно упруговязкой деформации и электрической активно сти соответственно; / - эквивалентная частота пейсмекеров, характе ризующая влияние электрической активности водителей ритмов на сокращение гладкомыщечных волокон стенки; Ркы - осмотическое давление в ткани; РП- пороговое значение давления крови, при пре вышении которого активируются гладкая мускулатура сосудистой стенки, а |; а2, аъ - константы. В модели принято допущение об аддитивном вкладе различ ных регуляторных воздействий в изменение просвета сосудов. В ка честве внешнего воздействия на сосудистую сеть рассматривается изменение давления крови на артериальном конце каждого исследуе мого участка. Гемодинамические характеристики рассчитывают при фиксированных значениях объемной скорости кровотока на выходе сети, соответствующих определенным функциональным состояниям органов. Значения геометрических и биофизических параметров со судистой сети выбирают в соответствии с имеющимися эксперимен тальными и клиническими данными. В частности, для нормы диапа зоны значений параметров для резистивного отдела сосудистой сети выбраны в следующих пределах: Е = 10s—107 дин/см2, <2 = 2 12 мл/мин на 100 г, Т|с = Ю4-1 0 6 дин • с/см2, Т|к = 1,5-4 сП, п = 9005 • 103 мкм, г0 = 10-100 мкм, 6 = 3-60 мкм. 168 Биофизика 5.6 . Тубули н -ди н еи н о вая и тубулин-кинезиновая м олекулярны е системы подвижности 5 .6 .1 . Системы микротрубочек Микротрубочки (микротубулы) представляют собой полые ци линдры, стенка которых образована молекулами глобулярного белкатубулина. Его не очень крупные (диаметром около 4 нм и молекуляр ной массой примерно 115 кДа) молекулы обладают полярностью и полимеризуются на стороне положительного полюса (подобно G-акти ну). Поэтому сборка микротрубочек посредством полимеризации тубулина происходит путём «наступления» положительных полюсов тубулиновых глобул от центров к периферии. Наличие комплементар ной оси типа «замок-ключ» позволяет осуществлять безграничное ли нейное объединение молекул тубулина. Различают 2 модификации тубулина ( а и р), причём соединения этих близкородственных белков между собой более прочные, чем ме жду тубулинами одноимённой модификации. Поэтому распад микро трубочек при их перестройках происходит не до элементарных моле кул тубулина ( а или р), а до димеров - а-Р-соединений (рис. 5.65, а), вследствие чего аналогом (эквивалентом) G-актина, из которого стро ится F -актин, считают не мономеры тубулина, а его а-Р-гетеродимер. Из таких димеров тубулина посредством их линейного объединения за счёт образования р-а-связей в клетках собираются тубулиновые протофиламенты, т.е. первичные нитеобразные ультраструктуры. В них субъединицы в силу присущих им асимметрии и полярности расположены вдоль оси полимера по принципу «голова к хвосту». По этому каждый протофиламент напоминает длинную стрелу, состоя щую из коротких стрелок, направленных в одну и ту же сторону Каждая молекула а - и р-тубулина имеет и вторую систему «ключ-замок», т.е. обладает способностью образовать боковые связи с тубулинами соседних протофиламентов (рис. 5.65, 6). Эта латера льная сборка происходит ступенчато, в результате чего каждая а р-субъединица одного прогофиламента взаимодействует с ос-р-субъединицами соседних протофиламентов, сдвинутых примерно на чет верть её длины. 169 11шва 5. Биофизика двигательной активности Формирующийся таким образом полимолекулярный пласт из 11 протофиламентов приобретает изогнутую поверхность и выстраииастся в полый цилиндр, наружный диаметр которого составляет .’К им, а внутренний (ограничивающий полость) - 14 нм (рис. 5.66). ( 'тупенчатый характер бокового соединения протофиламентов прииодит не только к возникновеншо цилиндрической структуры, но и к спиральной периодичности идентичных субъединиц. Энергетиче ское обеспечение сборки микротрубочек осуществляется посредстиом гидролиза гуанозинтрифосфата (ГТФ), а не АТФ. Подобно микрофиламентам, микротубулы беспрестанно рас падаются и созидаются. Ими образованы многие внутриклеточные ультраструктуры. Во всех клетках они играют роль внутриклеточно го каркаса с прекрасными механическими свойствами, причём прер-тубулин Гетеродимер а-тубулин Протофиламент Латеральная сборка Рис. 5.65. Молекулы тубулина и гетеродимер а - образован а - и Р-молекулами тубулина; б - образующийся протофиламент 170 Биофизика Рис. 5.66. Микротрубочка (цилиндр), образованная посредством латерального ступенчатого соединения протофиламентов имущества трубчатых опорных элементов биологические системы «открыли» более миллиарда лет назад. Микротрубочками укреплены отростки нейронов. В аксонах по каналам в микротубулах перемещаются от тела нейрона на пери ферию разнообразные вещества со скоростью до 8 мкм • с-1 (это на зывается аксональным током). Вместе с тем микротубулы, как и микрофиламенты, служат «рельсами», по которым не внутри, как аксональный ток, а по наруж ной поверхности перемещаются (скользят) белки-моторы (динеины I нтш 5. Биофизика двигательной активности 171 к кинезины). Они одним своим концом контактируют с наружной по верхностью микротрубочки и при гидролизе АТФ могут двигаться ни ней. Другой конец молекулы-мотора может прикрепляться к орга ноидам или к соседним трубочкам. В первом случае обеспечивается цмшспорт органоидов по цитоплазме, а во втором - перемещение от дельных участков клетки относительно соседних. Любой белок из большого семейства кинезинов представляет соiiiiii гетеротример палочкообразной формы. В его составе две тяжёлые (массой по 120 кДа) и две лёгкие (массой по 70 кДа) полипептидные цени. Каждая из тяжёлых цепей увенчана двумя маленькими «голов ками» (глобулярными молекулярными структурами, образованными примерно 340 аминокислотными остатками). Остальная часть тяжёлой цени напоминает стержень, заканчивающийся перообразным «хвоI тм». С ним соединены две лёгкие полипептидные цепи. Этим «хво| юм» кинезин прикрепляется к тем веществам и ультраструктурам, которые необходимо транспортировать внутри клетки по поверхности мшеротубул. С тубулярной поверхностью взаимодействуют головки кинезина. На них есть активные центры (связывающие домены) для тубулиiiii и АТФ. Механизм взаимодействия кинезина с микротрубочкой аналогичен скольжению миозина по актиновым микрофиламентам. 11ри каждом шаге, а он составляет 8 нм, развивается сила в 5 пиконьII)гонов. КПД такого перемещения достигает 50%. Кинезины обеспечивают активные деформации клеток, участнуют в работе эндоплазматической сети по синтезу макромолекул, подтягивая мономеры по микротубуле к положительному полюсу сошдаемых полимеров. Кинезины переносят секреторные гранулы н вакуоли к апикальному концу секреторной клетки, перемещают уд воившиеся хромосомы к противоположным полюсам родительской клетки в процессе их митотического деления. Ещё в XIX веке было установлено, что хромосомы, расходя щиеся в анафазе митоза к противоположным полюсам родительской клетки, движутся по определённым траекториям вдоль системы стро го упорядоченных фибрилл, которую за её конфигурацию назвали митотическим веретеном. Позднее выяснилось, что его основным компонентом являются микротрубочки, построенные из тубулина. 172 Биофизика Хромосома Кинетохорные микротрубочки Астральные микротрубочки Некинетохорные микротрубочки Кинетохор Рис. 5.67. М итотическое веретено (схема) По ним перемещаются так называемые кинетохоры - молекулы-моТоры, которые головками взаимодействуют с тубулином, а хвоста ми - с хромосомами (рис. 5.67). Предполагают, что кинетохор, встре чаясь с тубулином, осуществляет разборку микротрубочки и при этом «хватается» за её остающийся конец, как за страховочный канат, и вместе с хромосомой продолжает движение по сохранившейся час ти микротрубочки к полюсу клетки. Возможно, что роль кинетохоров исполняют кинезины. Другим важнейшим молекулярным мотором в системе микро трубочек являются динеины. Всё их семейство составляют крупные молекулярные комплексы (с молекулярной массой порядка 106 Да), имеющие 2-3 глобулярные головки на 1 «стебельке». Каждая голов ка - белковая молекула с молекулярной массой более 400 кДа, обла дающая АТФазной активностью. Кроме столь высокомолекулярных компонентов, динеин содержит полипептидные цепи с молекулярной массой около 100 кДа (промежуточные) и 20 кДа (лёгкие). I /шва 5. Биофизика двигательной активности 173 Уникальное свойство динеина - способность скользить по поисрхности микротрубочки к её отрицательному полюсу. Динеин шаимодействует с тубулином подобно тому, как миозин с актином, и в результате механического процесса перемещаются 2 дублета мик ротрубочек, соединённых так называемыми боковыми ручками, обраюванными динеином, который к тому же катализирует гидролиз Л'ГФ, необходимый для энергетического обеспечения скольжения микротрубочек. Поэтому боковые ручки микротрубочек называют «цитомышцами», а сами микротрубочки - «цитоскелетом». Эти тер мины адресуют также соответственно миозиновым и актиновым фииаментам. Все динеины устремляются в клетках к отрицательному, а бош.шинство кинезинов - к положительному полюсу микротрубочки. 11оэтому органоиды могут «ездить»по одним и тем же «рельсам» (микротрубочкам) к центру и периферии клетки, пользуясь разными «локомотивами» (динеинами или кинезинами). Благодаря таким транспортным системам один и тот же органоид, меняя их неодно кратно, может изменять направление своего движения по цитоплаз ме несколько раз в минуту. Предполагают, что на одном и том же органоиде «сидят» раз ные молекулы-моторы (миозины, динеины, кинезины), которые нключаются и переключаются специальными регуляторами (напри мер, ферментами, присоединяющими к ним ортофосфат, освобожда ющийся при гидролизе АТФ). По-видимому, микротрубочки служат «рельсами кинезинам и динеинам для дальних дорог» в пространстве клетки, а микрофиламенты обеспечивают транспорт органоидов по актиновым нитям при помощи миозинов на меньшие расстояния. 5.6.2. Биомеханические процессы в жгутиках и ресничках Реснички и жгутики представляют собой важнейшие двигате льные органоиды немышечных клеток. Микроорганизмам и простей шим (класса жгутиконосцев), а также гаметам морских водорослей и сперматозоидам животных жгутики обеспечивают перемещение в пространстве. Например, у кишечной палочки, как правило, 6 жгу 174 Биофизика тиков, каждый из которых в 2-3 раза длиннее тела клетки. При син хронном движении против часовой стрелки все жгутики сплетаются в единый пучок, который вращается подобно пропеллеру, в результа те чего бактерия, длина которой меньше 2 мкм, преодолевает за 1 с расстояние в 20 мкм, что эквивалентно бегу лошади со скоростью 180 км ■ч-1. Немудрено, что жгутиковые бактерии в своём большин стве обладают лучшей конкурентоспособностью и живучестью по сравнению с микроорганизмами без жгутиков. Следует, правда, за метить, что у бактерий (кроме спирохет) подвижность жгутиков обеспечивается не тубулином, а флагеллином. Однако биофизиче ский механизм движения любых жгутиков, а также ресничек в основ ных чертах сходен, хотя реснички у животных служат главным обра зом для перемещения не клеток, которым они принадлежат, а среды вокруг них. Уместно заметить, что и жгутики у некоторых многокле точных организмов создают циркуляцию внутренней среды, а рес нички инфузорий класса Ciliata, ресничных червей (турбеллярий) и гребневиков (из типа морских позвоночных) перемещают их тела в пространстве. Жгутики и реснички представляют собой тонкие, но довольно длинные выросты клетки, одетые у эукариот плазматической мемб раной. Толщина этих структур (0,20-0,25 мкм) находится почти на пределе разрешающей способности световой микроскопии, а длина составляет 5-10 мкм у реснички и до 150 мкм у жгутика. Ресничек у клетки очень много (порядка 10 0 ), а жгутики располагаются пооди ночке или по несколько штук на хвостовом конце свободно плаваю щей клетки. Траектории движений жгутиков и ресничек также различны. Жгутики движутся волнообразно или воронкообразно, а реснички маятникообразно. В маятникообразном движении реснички различа ют 2 фазы: замаха и удара (рис. 5.68). По данным В. В. Шабалина, со отношение их продолжительностей в норме соответствует золотой пропорции: tn0JIH0roillfl„a : tMMaxa = t3aMaxa: tyaapa= 1,62 ± 0,24. При патологии нарушается как это гармоническое соотношение, так и сама траекто рия. Если при нормальной работе реснички замах и удар происходят во взаимно перпендикулярных плоскостях, то при развитии патоло гии они совершаются в одной плоскости, что приводит к колебаниям I inма 5. Биофизика двигательной активности 175 Рис. 5.68. Полный гребной удар реснички при последовательном микрофотографировании Цифрами обозначена последовательность движения: 1 -6 - стадия эффективного удара (а), 6-1 2 - стадия замаха (б) окружающей среды (вперёд и назад) относительно стартовой линии (положения равновесия), а не к поступательному однонаправленному движению, обеспечивающему эвакуацию компонентов этой среды. Дело в том, что биения ресничек на поверхности многоресничиых клеток координированы. Расположенные параллельными ряда ми, они при движении создают над клетками волны, бегущие в опре делённом направлении. Например, эти волны на поверхности клеток респираторного (реснитчатого) эпителия «бегут» к глотке: сверху вниз - в верхних и снизу вверх - в нижних дыхательных путях чело века. Направления движения ресничек генетически детерминирова ны. Поэтому в участке слизистой оболочки трахеи или бронхов, вы резанном и затем пришитом «задом наперёд», реснички будут совершать удар в сторону альвеол, а не глотки, т.е. сохранять преж нюю траекторию движения (рис. 5.69). Поверхность реснитчатого эпителия, над каждой клеткой которого колеблются 150-200 ресни чек, напоминает волнующееся море или подвластное ветру пшенич ное поле, по которым бегут волны с определённой частотой ( 12 - 176 Биофизика Рис. 5.69. Поверхность реснитчатого эпителия (сканирующая электронная микроскопия) 16 Гц - у человека). При патологии (например, при хроническом бронхите) частота биений ресничек падает, и эвакуация содержимого бронхов ухудшается. Колебания ресничек, расположенных на поверхности бронхи альных эпителиоцитов, формирует поток жидкости над ними. У здо рового человека за сутки в среднем секретируется в нижних дыха тельных путях 0,75 мл слизи на 1 кг массы тела. Благодаря непрерывной работе секреторных клеток (бокаловидных и клеток Клара) слизистая оболочка дыхательных путей человека и животных выстлана слоем слизи. Толщина слизистого покрытия около 7 мкм. Оно неоднородно в своём профиле: нижние 5 мкм - золь, а верхние 2 мкм - гель. Золь обладает гораздо меньшей вязкостью (около 1 мПа • с), чем гель (до 10 мПа • с), вследствие чего движения ресни чек в золе совершаются за счёт сравнительно небольших усилий. Толщина этого слоя почти совпадает с длиной реснички, что позволя ет ей экономно расходовать энергию. Только верхними кончиками реснички касаются геля, в котором обычно находятся частицы, под лежащие эвакуации из дыхательных путей (рис. 5.70). Слой геля в них удерживает на своей поверхности частицы массой до 12 мг. Они вместе с гелем скользят по поверхности золя. Возможно, кончи- I nmia 5. Биофизика двигательной активности 111 3 2 1 Рис. 5.70. Профиль просвета бронха (в пределах 1 0 мкм от поверхности) 1 - реснички; 2 - слой золя; 3 - слой геля m i ресничек контактируют с неровностями на нижней поверхности им1я, что способствует более эффективной эвакуации слизи. Ско рость её перемещения составляет в мелких бронхах около 1 мм • мина в трахее 10-15 мм мин-1. Взаимодействие бьющихся ресничек со слизью в дыхатель ных путях обеспечивает так называемый мукоцилиарный клиренс (clearance - очищение, mucus - слизь, cilia - ресничка), т.е. очище ние дыхательных путей посредством перемещения слизи к глотке, происходящего при колебаниях ресничек. Заметим, что этот про цесс, называемый мукоцилиарным транспортом (МЦТ), не единстнспный механизм мукоцилиарного клиренса. В его осуществлении важная роль принадлежит также альвеолярным макрофагам (осооенно, в самых мелких бронхах и альвеолах). Очищению крупных оронхов и трахеи способствует кашель, а верхних дыхательных пу тей - чихание и насморк. Ради понимания биомеханических процессов в ресничке рас смотрим её ультраструктурную организацию. Под плазмолеммой нахонится аксонема - цилиндрическое образование, построенное из 9 пар мпкротрубочек, связанных между собой динеиновыми ручками. В цен| ре аксонемы находятся ещё две микротрубочки, заключённые в обо лочку (центральную капсулу). Поэтому говорят, что реснички (равно как и жгутики) имеют структурную модель: 9 + 2 (рис. 5.71). Девять пе риферических дублетов соединяются с центральной парой радиальны ми «спицами». В основании лежат базальные тельца: в ресничке одно, в жгутиках - два, расположенные взаимно перпендикулярно. Каждый из 9 периферических дублетов построен из полной микротрубочки (А), образованной 13 тубулиновыми протофиламентами и неполной (В), составленной из 10 тубулиновых протофила- I,’ 9844 178 Биофизика Плазматическая мембрана Субфиб) Субфибрилл Радиальный мостик Нексин Центральная капсула Наружная динеиновая ручка Внутренн ДИНСИНОЕ РУ1 Наружная р М И КрО Тр у |\а Центральная одинарная микротрубочка Рис. 5 .71. Схема упътраструктурной организации реснички ментов. Полная и неполная микротрубочки соединяются между собой таким образом, что 3 «лишние» протофиламента трубочки а становят ся для них общими (объединяющими обе трубочки). Кроме того, полная микротрубочка (А) взаимодействует с не полной микротубулой (В) прилежащего (соседнего) дублета посред ством пары тангенциально ориентированных боковых ручек. Они по форме напоминают гантели и образованы динеином. В связи ручек с трубочками участвует белок пектин. Как и другие динеиновые (а также кинезиновые и миозиновые) надмолекулярные структуры, ручки работают как «цитомышцы» на «цитоскелете». С ними связа но и энергетическое обеспечение движения реснички. Механохимический процесс взаимодействия динеина с тубулином приводит к пе ремещению друг относительно друга двух дублетов микротрубочек, соединённых боковыми ручками. Механизм этого перемещения на поминает скольжение миозиновых нитей вдоль актиновых. Модель взаимного скольжения компонентов реснички предложил П. Сатирпримерно через 10 лет после появления гипотезы скользящих нитей в миоците (А. Хаксли и X. Хаксли). Обнаружено поразительное сходство в работе двух основных клеточных систем подвижности: I нова 5. Биофизика двигательной активности 179 и обеих происходит скользящее перемещение «цитокостей» за счёт натяжения «цитомышц». Энергетическое обеспечение механохимического процесса в микрогрубочке также осуществляется за счёт гидролиза АТФ, причём АТФазной активностью обладают глобулярные головки динеина. В опыIих на цилиарных аксонемах, лишённых плазмолеммы и радиальных спиц, добавление в среду АТФ приводило к быстрому и значительному удлинению исследуемой структуры, в результате чего поднимающиеся инсрх дублеты могли упасть (подобно тому, как падает гусеница, до ползающая до края ветки). Если же дублеты соединены между собой нексиновыми мости ками, дополняющими боковые ручки, и связаны радиальными спица- Рис. 5.72. Изгиб реснички при нормальном взаимодействии её компонентов 180 Биофизика ми, то при скольжении они не разделяются, а изгибаются (рис. 5.72). Боковые ручки, расположенные в плоскости сгибания, которая пер пендикулярна плоскости центральной пары микротрубочек, обеспе чивают ресничке возвратно-поступательное движение. Для этого ручки, расположенные на стороне изгиба, максимально сокращают ся, а противоположные - расслабляются. При замахе первые рас слабляются, а вторые - испытывают максимальное сокращение. Руч ки, лежащие в плоскости, перпендикулярной плоскости сгибания, остаются пассивными. На самом деле сложная траектория формиру ется разной степенью сокращения и расслабления многих динеиновых ручек, расположенных между взаимно перпендикулярными плоскостями, т.е. между пассивными и наиболее активными динеиновыми ручками. Изложенная схема весьма упрощает механизм биения ресни чек. В нём участвуют более сотни различных белков, входящих в со став аксонемы. Однако ведущая роль принадлежит тубулину и дине' ину. Поражает отсутствие эволюции основных молекулярных механизмов двигательной активности от спирохет до человека. Мукоцилиарная система органов дыхания нарушается при многих патологических состояниях, включая профпатологию. Работа в атмосфере с высоким содержанием агрессивных веществ уже через 1 - 2 года приводит к угнетению мукоцилиарного транспорта в верх них дыхательных путях. Позже подобные изменения происходят в бронхах, а они, в свою очередь, опережают клинические проявле ния пневмокониозов и бронхитов. Любые формы дисфункции ресни чек в дыхательных путях служат противопоказаниями к работе в условиях запылённости и загазованности рабочих помещений. С другой стороны, при хронических бронхитах (хронической обструктивной болезни лёгких) содержание реснитчатых клеток в сли зистой оболочке бронхов заметно уменьшается. Если в норме они со ставляют 80-90% эпителия дыхательных путей, то при бронхите около 50-60%. Потеря «шевелюры» слизистой оболочкой приводит к нарушению мукоцилиарного клиренса, усугубляющему патологи ческий процесс. Наркоз угнетает двигательную активность ресничек, что является одним из существенных факторов развития послеопера ционных пневмоний. / /шва 5. Биофизика двигательной активности 181 Вместе с тем есть такие формы патологии, этиология которых непосредственно связана с дефектами развития тубулин-динеиновой гистемы. Яркий пример тому - синдром Картагенера (первичная цинпарная дискинезия). Это наследственная аномалия развития, обу словленная генетическим дефектом тубулин-динеиновой системы, приводящим к отсутствию в ресничках динеиновых ручек и транспошции радиальных спиц. Происходит транслокация микротрубочек. I■стественно, что двигательная активность таких ресничек, а следова1ельно, и мукоцилиарный транспорт резко нарушены. Однако прояв ления синдрома Картагенера не ограничиваются дыхательной систе мой. Страдают и пищеварение, поскольку реснички на поверхности шителиальных клеток желудочно-кишечного тракта обеспечивают )ффективное перемешивание химуса в зоне пристеночного пищева рения. Наконец, люди с синдромом Картагенера бесплодны, поско льку жгутики сперматозоидов не способны быть для них пропелле рами, и мужские половые клетки обречены на неподвижность и невозможность встречи с яйцеклетками. Глава 6. СЕНСОРНЫЕ СИСТЕМЫ ОРГАНИЗМА 6 .1 . А нализ сенсорных систем Живые организмы функционируют в условиях постоянно из меняющейся внешней среды, и основой их выживания является на личие у них способности реагировать на изменения среды соответст вующей перестройкой своей жизнедеятельности, позволяющей определить и захватить пищевые вещества, избежать повреждения, осуществить воспроизводство себе подобных организмов и т.д. На чальным Звеном во всех этих реакциях, обеспечиваемых у многокле точных организмов в первую очередь деятельностью нервной систе мы, является превращение внешнего воздействия (обозначаемого обычно как раздражитель, или стимул) в определенный физиологи ческий процесс, который содержит в себе информацию об этом воз действии. Живые организмы для своего существования должны получать информацию о внешней и внутренней средах (о пище, опасности, температуре, химическом и других составах окружающей среды, о возможности продолжения рода и т.д.). Передача информации про исходит между внешней средой и организмом, между различными отделами организма, между клетками, органоидами и другими со ставляющими клетки, т.е. на всех уровнях организации биообъектов, причем внешняя среда может простираться от космического окруже ния (космосферы) до субатомного уровня. Стимуляция может заключаться в действии на организм самых различных видов энергии (механической, тепловой, химической, гра витационной, электрической, электромагнитной). В организме же сведения об этом действии передаются посредством сигнальной дея тельности нервных клеток - потенциалами действия (нервными им I tinea 6. Сенсорные системы организма 183 пульсами). Трансформация внешней энергии в эту деятельность обеспечивается особыми структурами, обозначаемыми как рецепт о ры органов чувств (сенсорных систем). Это слово образовалось от латинского recepto - брать, прини мать. Рецепторы реагируют на раздражители, которыми называют факторы внешней среды, влияющие на изменения свойств или состоя ния клеток, ткани, органа и целого организма. Раздражители делятся па адекватные (соответственные) и неадекватные для определенного рецептора. Адекватность раздражителя для рецептора проявляется п том, что пороговая интенсивность воздействия адекватного раздра жителя намного меньше, чем неадекватного. Рецепторам свойствен ны чрезвычайно малые пороги восприятия адекватных стимулов, на пример фоторецепторы глаза возбуждаются единицами квантов света, орган слуха реагирует на механические смещения на уровне те плового движения молекул, обонятельные рецепторы способны вос принимать появление единичных молекул пахучих веществ. Классификация биосенсоров (рецепторов) проводится по разничным признакам. Например, по модальности адекватного раздра жителя рецепторные структуры подразделяются на фоторецепторы, механорецепторы, хеморецепторы, терморецепторы, осморецепто ры, электрорецепторы и др. Фоторецепторы обеспечивают воспри ятие света. Хеморецепторы воспринимают химический состав внеш ней и внутренней среды организма. Механорецепторы реагируют на механические стимулы и обеспечивают слух, восприятие гравитации и угловых ускорений, осязание, механические процессы в сердеч но-сосудистой системе, желудочно-кишечном тракте и других орга нах. Терморецепторы воспринимают изменения температуры. Осмо рецепторы реагируют на сдвиги осмотического давления в основном но внутренних органах и тканях организма. Электрорецепторы реа гируют на появление или изменение электрического поля (надпороговых напряженностей). У человека такие рецепторы не выявлены. Псе рецепторы снабжают центральную нервную систему информа цией о внешних и внутренних факторах среды. Другой принцип классификации рецепторов основан на их ло кализации в организме: интерорецепторы реагируют на изменения его внутренней, а экстероцепторы - внешней среды. 184 Биофизике Очень важен структурный принцип классификации рецепто ров, который сейчас по праву называется структурно-функциональ ным принципом, поскольку структурные особенности рецепторов предопределяют биофизические механизмы преобразования сигна лов в них. Различают свободные нервные окончания, инкапсулиро ванные нервные тельца и рецепторы со специальными клетками. Ре цепторы со специальными клетками, в свою очередь, подразделяются на первично-чувствующие и вторично-чувствующие рецепторы. Рецепторы обладают свойством не только отмечать сам факт действия раздражителя, но и отражать его определенные параметры, осуществляя таким образом функцию перекодирования их в опреде ленные характеристики сигнальной деятельности нервных клеток. Этот процесс кодирования, передачи и обработки информации о внешних раздражениях обозначается как сенсорная (афферентная) деятельность организма, а структуры, его осуществляющие, - как чувствительные (сенсорные, афферентные) системы. Он является, очевидно, тем биофизическим процессом, который должен быть рас смотрен в первую очередь при жизнедеятельности организмов как сложных биофизических систем. 6.1.1. Общие принципы функционирования сенсорных систем С деятельностью сенсорных систем связана вся наша созна тельная жизнь, поскольку конечным ее результатом у находящегося в сознании человека является возникновение ощущений - субъектив ных образов внешних раздражений. Сопоставление характеристик этих ощущений с объективными свойствами вызвавших их раздра жений ранее всего было использовано для определения общих прин ципов функционирования сенсорных систем. Такое сопоставление объективных и субъективных параметров сенсорных раздражителей обозначается как психофизическое направление биофизики сенсор ных систем. При оценке сенсорных ощущений в первую очередь обращает на себя внимание субъективно переживаемое их сходство в случае активации одной чувствительной системы и качественное отличие - 11шва 6. Сенсорные системы организма 185 н случае активации различных. Эта особенность обозначается как модальность ощущений, отражающая, очевидно, качественное разинчие соответствующих внешних раздражителей. «Классическими» модальностями являются зрение, слух, осязание, вкус, обоняние, от ражающие действие на рецепторы соответственно световых лучей, шуковых колебаний, механических воздействий, химических ве ществ. К сенсорным модальностям необходимо отнести ощущения гепла и холода, вибрации, положения тела в пространстве и боли, а также «внутренние» ощущения, отражающие изменения во внут ренней среде организма, являющиеся раздражителями для рецепто ров внутренних органов. Очевидно, что качественная особенность ощущений каждой модальности - явление субъективное, переживаемое каждым инди видуумом и непередаваемое другому индивидууму. Правильное от ражение в ней объективных различий внешних раздражителей про веряется всей ответной деятельностью организма, и возможные нарушения соответствия между качеством раздражителя и его субъ ективным отражением, возникающие, например, при некоторых за болеваниях, обычно быстро определяются и корректируются в пове дении индивидуума. Следующим основным параметром ощущения является его ин тенсивность, отражающая количественные показатели раздражитеIIя. В общем, чем больше сила стимула, тем выше интенсивность ощущения. Однако эта зависимость не является линейной и также от ражает субъективный характер нашего отражательного процесса. Во всех сенсорных системах ощущение возникает только после достиже ния раздражителем определенной критической величины, называе мой абсолютным порогом ощущения. Затем интенсивность ощущения увеличивается с усилением силы стимула, однако до определенных пределов. При слишком сильных стимулах повышение интенсивности ощущения прекращается (верхний порог ощущения). В наших ощуще ниях мы можем оценить изменения их интенсивности, сопоставив с объективными изменениями силы раздражителя. Однако в связи с наличием порога ощущения для измерения его интенсивности при ходится проводить отсчет от порогового уровня раздражителя и опре делять эту интенсивность как кратное порогового ощущения. 186 Биофизика Сопоставление субъективной оценки изменения интенсивно сти ощущения с объективным изменением силы раздражителя было проведено в ряде психофизических экспериментов на различных сенсорных системах. Если силу раздражителя представить в лога рифмических единицах, то соотношения между ней и степенью ощу щения довольно хорошо совпадают с прямой, наклон которой может варьироваться. Математическим выражением такой зависимости яв ляется степенная функция I = k ( S - S oy , (6.1) где / - интенсивность ощущения; S0 - пороговая и S - действую щая сила раздражения; к - константа. Описываемая зависимость по имени ее открывателя получила название закона Стивенса. Показа тель степени п в этой функции для различных сенсорных систем и различных раздражителей может отличаться от единицы как в бо льшую, так и в меньшую сторону. На рис. 6 .1 приведен пример экс перимента с вкусовыми ощущениями от различных химических ве ществ, который хорошо иллюстрирует сказанное. Важные сведения относительно общих принципов оценки силы стимула получаются в психофизических экспериментах по оп ределению минимально определяемых изменений в интенсивности Рис. 6.1. Сравнение изменений интенсивности субъективного вкусового ощущения (1) и частоты разрядов в волокнах вкусового нерва (2) человека как функции концентрации лимонной кислоты (А) и сахара (Б) вмМ /л 187 I пава 6. Сенсорные системы организма ощущения при усилении раздражения. Как это было впервые отмече но Э. Вебером еще в 1834 г., такое минимально определяемое изме нение (дифференциальный порог) находится, как правило, в постоян ном отношении к исходной силе раздражения (закон Вебера): = const. S (6 .2 ) Впоследствии Г. Фехнер по новому выразил эту закономер ность, проинтегрировав уравнение Вебера. В такой форме интенсив ность ощущения пропорциональна логарифму силы стимула (закон Небера-Фехнера): 7 = £ -lg S . (6.3) Однако закономерности, обнаруженные Э. Вебером в экспери менте, оказались справедливыми в сравнительно узких пределах, а для некоторых сенсорных систем вообще не подтвердились. В этом отношении установленная С. Стивенсом закономерность имеет зна чительно более широкую область применения и может быть с боль шимуспехом перенесена на нейрофизиологические процессы, лежа щие в основекодирования и передачиинформации всенсорных системах. Итогом работ Э. Вебера, Г. Фехнера, С. Стивенса, В.О. Са мойлова и других исследователей стал вывод о том, цто на сенсор ных входах в центральную нервную систему происходит нелинейное преобразование информации об интенсивности раздражителей. Это обстоятельство предопределяет многие закономерности функциони рования мозга человека и животных. Нелинейное преобразование сигналов на входе в систему позволяет ей заменять математические операции второго порядка (умножение и деление) операциями пер вого порядка (сложение и вычитание). Поэтому нейрон работает как интегратор, совершая алгебраическое сложение многочисленных постсинаптических потенциалов, образующихся на его дендритах и соме. Наряду с качественными и количественными характеристика ми, ощущения имеют также пространственные и временные характе ристики. Пространственные особенности ощущения могут быть из 188 Биофизика мерены дифференциальным пространственным порогом наименьшие интервалом между раздражителями, при котором они воспринимаются как раздельные. Вместе с тем площадь стимула ока зывает влияние на характер ощущения и в том случае, если оно явля ется слитным: ощущаемая интенсивность возрастает при увеличении площади органа чувств (А ), на которую действует раздражитель. Очевидно, в общем смысле это явление можно рассматривать как пространственную суммацию эффектов элементарных раздражений в процессе формирования ощущения. В идеальном случае произве дение силы стимула на его площадь должно было быть постоянным при инициации ощущения: Is - А = const. где (6.4) / 5 - интенсивность силы раздражителя. Однако и для этой характеристики в эксперименте наблюдают ся существенные вариации, и указанная зависимость подтверждается в определенных пределах изменения площади воздействия стимула. Положение осложняется наличием противоположных эффектов ослаблением интенсивности ощущения в случае одновременной сти муляции соседнего участка воспринимающей поверхности. Такое яв ление получило название контраста. Оно хорошо знакомо по зрите льным ощущениям, но имеет место и в других сенсорных системах и способствует пространственному различению раздражителей. По аналогии с эффектом увеличения площади раздражителя увеличение его длительности также влияет на интенсивность ощуще ния. Здесь встречаемся с временной суммацией актов стимуляции в процессе формирования ощущений. В некоторых случаях можно показать постоянство произведения силы раздражителя на время его действия в определении интенсивности ощущения: Is - t = const. (6.5) Это положение справедливо только для определенных длите льностей стимула. Когда же последняя превосходит некоторую кри тическую величину, интенсивность ощущения перестает зависеть от нее. Более того, при дальнейшем увеличении длительности стимула 189 / пава 6. Сенсорные системы организма S, отн. e fl.f 10 Длинный стимул Короткие стимулы l.l.l I L f,, Рис. 6.2. Адаптация к запаху В верху - предъявления стимула (сероводорода) в концентрации 6,5 ■К Г6 по объему. Внизу - изменения интенсивности субъективного ощущения I, оцениваемые четырьмя различными испытуемыми наступает противоположное явление - интенсивность ощущения на чинает ослабевать. Такое ослабление получило название адаптации. Па рис. 6.2 приведен пример адаптационных изменений ощущения чапаха, полученный в психофизическом опыте. Как видно, после прекращения действия раздражителя адаптационное снижение ин тенсивности восстанавливается также постепенно. Ход восстановления можно определить кратковременными предъявлениями раздражителя той же интенсивности. Явления адап тации чрезвычайно сильно проявляются в деятельности всех сенсор ных систем и играют важную роль в восприятии организмом внеш них стимулов, существенно расширяя диапазон воспринимаемых интенсивностей последних. Так, в зрительной системе в ходе адапта ции пороговая сила света, вызывающая минимальное ощущение, мо жет измениться в десятки тысяч раз. Хотя приведенные ранее общие характеристики функциониро вания сенсорных систем получены на основании отчетов испытуемых о своих субъективных ощущениях, они имеют объективный характер, поскольку подтверждаются на всех испытуемых. На протяжении дли тельного времени такие психофизические данные были основой ваше го понимания принципов восприятия организмом действующих на него внешних раздражителей. Поскольку невозможно получить отче тов о субъективных ощущениях, возникающих у животных, то о функ 190 Биофизика ционировании сенсорных систем у последних можно было делать за ключения лишь по аналогии. Эта принципиальная трудность была в значительной мере пре одолена путем использования условнорефлекторного метода И.П. Павлова, открывшего возможности объективно регистрировать спо собность животного отличать один раздражитель от другого на основе дифференцировки выработанных на них условных рефлексов. Ис пользование условнорефлекторного метода показало, что распростра нение установленных в результате психофизических измерений об щих принципов функционирования сенсорных систем человека на аналогичные системы животных вполне правомочно. Прямое исследование процессов, происходящих в различных звеньях той или иной сенсорной системы, стало возможным с введе нием в практику регистрации и анализа электрических феноменов, наблюдаемых в этих звеньях и отражающих течение нервных процес сов, обеспечивающих сенсорную информацию в организме. В ходе таких исследований удалось в большинстве случаев точно опреде лить те процессы, которые лежат в основе описанных общих характе ристик функционирования сенсорных систем. 6.1.2 . Трансформация раздражителей в рецепторах Первым звеном в деятельности любой сенсорной системы яв ляется трансформация энергии раздражителя (стимула) в распро страняющийся сигнал - нервный импульс. Рецепторные структуры, в которых происходит эта трансформация, оказываются приспособ ленными к реагированию на раздражителей определенного рода, кото рые обозначаются как адекватные для данных рецепторов. Однако эта приспособленность не является абсолютной, и в некоторой степе ни рецепторы могут активироваться и неадекватными стимулами. Специализация рецепторов определяется наличием у них особых ме ханизмов, позволяющих реагировать на очень слабые адекватные раз дражители. Чувствительность при этом может достигать в некоторых случаях практически предельно возможной по физическим законам величины («физического предела» - по выражению С.И. Вавилова). I пава 6. Сенсорные системы организма 191 Как уже говорилось, по модальности адекватного раздражителя биосенсоры могут быть разделены на механо-, термо-, хемо-, фоторе цепторы. У некоторых водных животных имеются также электроре цепторы, для которых адекватным раздражителем является измене ние электрического поля в проводящей внешней среде. Внутри каждой из этих групп имеется ряд подразделений, рецепторы в кото рых приспособлены для реагирования на те или иные более узкоограпиченные параметры соответствующих раздражителей. Несмотря на такую специализацию, у всех рецепторных структур есть общий ме ханизм, наличие которого определяется обшей конечной задачей каж дого рецептора - вызвать распространяющийся нервный импульс. Единственным путем инициации этого импульса является деполяри зация плазматической мембраны нервного окончания чувствительной нервной клетки или специальной клетки во вторично-чувствующих рецепторах. Поэтому во всех рецепторах внешняя энергия должна быть трансформирована в аналоговый электрический процесс, кото рый обозначается как рецепторный потенциал, а он, в свою очередь, вызывает возникновение дискретных сигналов - потенциалов дейст вия в афферентных волокнах. В некоторых рецепторах сравнительно нетрудно регистриро вать и анализировать рецепторный потенциал. На их примере можно ясно представить себе основные закономерности трансформации внешнего раздражителя в нервные импульсы. К ним относится ре цептор растяжения у ракообразных, структура которого показана на рис. 6.3. При растяжении мышечных волокон (рис. 6.3, б. 1) происходит деформация контактирующих с ними дендритных отростков чувст вительной нервной клетки, и в них возникает деполяризация мембра ны - рецепторный потенциал (рис. 6.3, б. 2), который электротониче ски распространяется на сому клетки, вызывая в ее плазмолемме активацию потенциалзависимых ионных каналов и генерацию потен циалов действия. Параметры всех звеньев этого электрического про цесса могут быть точно измерены путем регистрации самого растя жения мышцы и отведения электрических реакций клетки с помощью внутриклеточного микроэлектрода. Как видно на том же рисунке, ре цепторный потенциал представляет собой аналоговое отражение раз 192 Биофизшп J L 2 3 Рис. 6.3. Схема трансформации внешнего раздраж ит еля в нервный процесс в рецепт оре раст яж ения рака а —схема рецептора: 1 - мыш ечные волокна, 2 - дендриты, 3 - нервная клетка, 4 - аксон; б - последовательные этапы трансформации: I - внешний стимул дражения, повторяющее амплитудные и временные характеристики последнего (рис. 6.3, б. 3). Такое отражение, которое часто обозначается как т рансдущ ш внешнего раздражителя, имеет ряд особенностей. Амплитуда и дли тельность стимула преобразуются в амплитуду совершенно иного физического процесса - изменения мембранного потенциала. Соот ношения между этими изменениями являются линейными, однако лишь в определенных пределах. Эти соотношения претерпевают из менение во времени, постепенно уменьшаясь (адаптация). Наконец, после прекращения стимуляции появляется преходящее изменение мембранного потенциала в противоположную сторону (гиперполяри зация). Как видно, в отмеченных особенностях рецепторного потен циала приходится сталкиваться с чертами, отмеченными ранее при характеристике субъективных ощущений (например, с адаптацией). Появление рецепторного потенциала, в свою очередь, дает нача ло следующему процессу - ритмическому разряду потенциалов дейст вия, которые далее распространяются в соответствующие нервные центры и в которых в закодированном виде переносится информация о предыдущих процессах. При этом интенсивность раздражителя и со ответственно амплитуда рецепторного потенциала трансформируют ся в частоту разряда импульсов, а его длительность - в длительность такого разряда. Функциональная зависимость силы стимула от часто- / чипа б. Сенсорные системы организма 193 Ii.i афферентой импульсации имеет, как правило, нелинейный хараки*р. Поскольку амплитуда рецепторного потенциала вследствие адапшции снижается со временем, несмотря на постоянство стимуляции, чистота потенциалов действия также становится реже. Преобразование рецепторного потенциала в разряд нервных импульсов вносит свои ограничения в процесс трансформации. Воз никновение потенциала действия требует пороговой деполяризации мембраны. В связи с дискретностью импульсации возникают ограни чения и в передаче изменений интенсивности раздражителя. При пчень коротких сигналах такая передача вообще невозможна, так как при этом возникает одиночный импульс, подчиняющийся закону кисе или ничего». По мере удлинения сигнала возможный объем пе редаваемой информации возрастет. Подобную закономерность в пе редаче сенсорных сигналов уже отмечали при анализе характеристик интенсивности сенсорных ощущений. Описанные принципы трансформации внешнего стимула н нервные процессы являются общими для всех сенсорных систем организма, и различия между ними связаны лишь с различиями клеIочных механизмов, определяющих процесс трансдукции и обеспе чивающих максимальное повышение чувствительности рецептора к внешнему воздействию. Далее познакомимся с особенностями этоIо процесса в различных сенсорных системах. 6.1.3. Передача и переработка информации в нервных центрах После трансформации внешней энергии раздражителя в нер вные процессы в каждой сенсорной системе происходит сложная по следовательность превращений этих процессов, захватывающая ряд надстроенных друг над другом нервных центров и заканчивающаяся и самом высшем из них - коре больших полушарий головного мозга, и которой на основе пространственно-временного распределения ак тивности нервных клеток возникает качественно новое явление субъективный образ раздражителя. Каждая сенсорная система имеет свои промежуточные и высшие нервные центры, отличающиеся по расположению и организации. Изучение их функционирования предII 9844 194 Биофизике ставляет собой предмет нейрофизиологии, и сведения о нем можно найти в соответствующих руководствах. Здесь будут рассмотрены только общие принципы передачи и переработки информации в сен сорных системах. Сенсорные пути, передающие сигналы от рецепторных клеток до коры полушарий большого мозга, всегда состоят из нескольких последовательно соединенных нейронов. При этом нейроны каждого последующего звена собраны в структуру, которая имеет аналогию с экраном: поступающие от различных рецепторных клеток аффе рентные волокна образуют синаптические соединения с определен ными клетками этой структуры, так что пространственная организа ция рецепторов оказывается как бы спроецированной на нейроны следующего звена. Количество таких экранных структур варьирует ся у различных сенсорных систем. Особенно велико оно у зритель ной системы, поскольку два последовательных переключения имеют место еще в сетчатке. Благодаря такой организации сенсорных систем, в них возмож на передача информации по принципу пространственного кодирова ния, необходимая для отражения целого ряда характеристик внеш них раздражителей. Однако в каждом переключении в действие включаются дополнительные механизмы, которые существенно влияют на передачу через них сенсорных сигналов. Каждое поступающее в переключающее звено афферентное волокно заканчивается синаптическими окончаниями не на одном нейроне, а охватывает ряд клеток (дивергенция возбуждения). В ре зультате участок возбуждения после переключения оказывается рас ширенным, «размытым». В свою очередь, в результате дивергенции к каждому нейрону поступают сигналы не по одному афферентному волокну, а сразу по нескольким. Это называется конвергенцией возбуждения. За счет нее даже слабая стимуляция отдельных входов получает возможность суммироваться на теле нейрона - возникает пространственная суммация передаваемых сигналов. Конвергенция и дивергенция пред ставлены схематически на рис. 6.4. Очевидно, при отсутствии какого-то дополнительного контроля явлений дивергенции и конвергенции на нескольких последователь- 195 I пава 6. Сенсорные системы организма 1 х><х><хх 2 х><х><хх 3 Рис. 6.4. Схелш конвергенции и дивергенции афферентных волокон в последовательных синаптических переключениях афферентных путей I - рецепторы; 2 - первое переключение; 3 - вт орое переключение пых звеньях переключения возможность пространственного кодиро вания информации свелась бы к нулю. Однако этому противодейству ют ограничивающие механизмы, которые также присутствуют во всех переключающих структурах. Ограничение распространения возбуж дения осуществляется тормозными нейронами, которые активируют ся поступающими афферентными сигналами и, в свою очередь, затор маживают активность переключающих нейронов. Такое торможение может осуществляться несколькими способами. 1. Опережающее торможение (рис. 6.5, а). В этом случае тор мозящие нейроны активируются прямо коллатералями афферентных волокон и торможение в переключающем звене возникает одновре менно с возбуждением передающих клеток. Оно не зависит от уров ня их активности, а отражает активность рецепторных клеток или предыдущего переключающего звена (feed-forward inhibition). 2. Возвратное постсинаптическое торможение (рис. 6.5, б). В этом случае тормозные клетки активируются коллатералями аксо нов, отходящих от переключающих нейронов, и создают в этих же нейронах тормозной постсинаптический потенциал (ТПСП). Чем сильнее возбуждаются эти нейтроны, тем сильнее будет и возвратное их торможение. Иными словами, осуществляется отрицательная об ратная связь. II* Рис. 6.5. Различные виды тормож ения а - опереж ающее тормож ение; б - возвратное постсинаптическое торможение; в - возвратное пресинаптическое торможение; 1 - входящие афферентные волокна; 2 - тормозящие нейроны; 3 - выходящие нейроны 3. Возвратное пресинаптическое торможение. В этом случи тормозные клетки активируются коллатералями аксонов переклю чающих нейронов, но их действие направлено не на сами нейроны а на терминали контактирующих с ними афферентных волокон (рис. 6.5, в). Деполяризуя их посредством аксо-аксональных синаи сов, такие клетки снижают эффективность синаптической передачи возбуждения через переключающие нейроны. Поскольку степени активации каждого из этих механизмом как и степени охвата соответствующим торможением переключаю щих нейронов, могут быть самыми различными, то создается исклю чительно динамичная система регуляции передаточных функций со ответствующего переключающего звена. Количественное описанш такой регуляции пока не представляется возможным из-за отсута вия точных характеристик организации и активности каждой систс мы торможения нервной деятельности. Качественно наиболее опре деленно роль торможения выявляется в форме так называемого латерального торможения, которое может создаваться за счет как пост-, так и пресинаптических возвратных тормозных влияний. Схематически эффект такого торможения представлен ни рис. 6 .6 . Поскольку тормозные нейроны обладают обычно широко ветвящимися отростками и устанавливают синаптические контакты со многими переключающими нейронами, то при поступлении по ки I пипа 6. Сенсорные системы организма 197 Рис. 6.6. Эффект латерального тормож ения на пространственную передачу сигналов через синаптические переключения Справа показана схема возбуж дающих синаптических связей меж ду рецепторами и вставочными нейронами. Черные - тормозящие вставочные нейроны. Светлые - вставочные нейроны. Частоты импульсаций/ в возбуж денном участ ке вокруг мест а стимуляции на уровне рецепт орных клеток (1), после первого переключения (2) и после второго переключения (3) кому-либо афферентному входу волны возбуждения, наряду с акти вацией соответствующих нейронов, возникает более широко распрог граненное торможение, которое может ограничивать «размывание» возбуждения после переключения, связанное с описанной выше ди вергенцией возбуждающих влияний. Явления контраста, описанные ранее при изложении данных психофизических экспериментов, явля ются, по видимому, следствием латерального торможения. Таким образом, при передаче информации через каждое после дующее переключающее звено в сенсорной системе происходит взаи модействие двух противоположных тенденций - потери точности пространственного кодирования в связи с дивергенцией возбуждения п восстановления этой точности за счет латерального торможения. Такая система передачи является весьма динамичной и допускает, и зависимости от интенсивности поступающего сигнала и уровня ак тивности тормозящих нейронов, широкие изменения в передаточных функциях каждого переключающего звена. Более того, если предста вить себе, что пространственная организация тормозящих связей 198 Биофизикя в переключающем звене может быть не случайной, а ориентирован ной, то в результате в нем возникнут возможности для преимущест венной передачи сигналов, имеющих определенные пространствен ные характеристики. Весьма четко эти особенности передачи сигналов через переклю чающие звенья можно проследить в зрительной системе, в которой лег ко наносить на рецептивное поле (сетчатку) стимулы любой простран ственной ориентации. При этом в соответствующих переключающих звеньях при помощи микроэлектродного отведения можно точно опре делить характеристики возбуждения нейрона в ответ на приложенные стимулы. Наряду с клетками, имеющими простые рецептивные поля, обнаруживаются клетки, отвечающие импульсным разрядом либо ни определенную ориентацию стимулирующего засвета, либо на движс ние стимула по сетчатке в определенном направлении. Таким образом, в переключающих звеньях образуются нейрон ные структуры, являющиеся детекторами соответствующих слож ных характеристик внешнего стимула. Они позволяют проводить до полнительный анализ сигналов, поступающих от рецепторных клеток, и выделять определенные их характеристики на основании перекодирования пространственной и временной структуры переда ваемой импульсации. Активный характер переработки передаваемых от рецептором сигналов в переключающих звеньях сенсорных систем проявляется и в том, что эти звенья находятся под контролем влияний, поступаю щих к ним из высших центров головного мозга. В составе сенсорных систем имеются не только центростремительные (афферентные) во локна, но и центробежные (эфферентные), устанавливающие синап тические связи с различными нейронами переключающих звеньев. В результате нисходящих влияний может происходить ряд из менений в передаточных функциях переключающего звена. Если в результате активации тормозящих нейронов произойдет общее по вышение порога синаптической передачи, то это будет равноценно ослаблению внешнего стимула, действующего на рецепторы. Такой эффект может быть одним из механизмов широко известного психо логического явления внимания, когда при сосредоточении усилия ни восприятии какого-то одного типа раздражителей другие их типы пс- I пива 6. Сенсорные системы организма 199 рсстают замечаться. Но изменения могут быть и более специфически ми, заключаясь, например, в сужении или расширении рецептивного ноля переключающего нейрона или даже изменении модальности нейрона, на котором конвергируют различные типы афферентных вонокон. В высшем отделе головного мозга (коре больших полушарий Iоловного мозга) различные сенсорные системы представлены в про странственно разграниченных областях. Так, у человека первичная соматосенсорная чувствительность локализована в основном в поCI центральной извилине, зрительная - в затылочной области коры, слуховая - в верхней части височных долей, вкусовая - в постцентраШ.110Й извилине и некоторых других участках коры, обонятельная преимущественно на внутренней поверхности полушарий (пириформпая область). Кроме этих первичных сенсорных областей, для боль шинства сенсорных систем характерно наличие дополнительных (игоричных и третичных) областей, пространственно отдаленных от первичных. В сенсорных областях коры сохраняется пространственная ор ганизация представительства соответствующей рецепторной поверх ности, характерная для переключающих звеньев. Наряду с клетками, отличающимися простыми рецептивными полями, здесь имеются нейроны со сложными и сверхсложными рецептивными полями, и активности которых отражаются самые различные характеристики действующих на рецепторы раздражителей. Каким образом в коре происходит объединение активности различных типов нейронов, дающее в результате цельное восприятие внешнего воздействия, пока неизвестно. Ясно, что предпосылкой для тгого является исключительно сложная структурная организация коры головного мозга, представляющая собой слоистую структуру, в которой строго ориентированные клетки связаны между собой сис темой тангенциальных и вертикальных связей, допускающих прак тически беспредельные возможности межнейронных контактов. О том, что в основе высшего анализа сенсорных сигналов ле жит активация сложных объединений корковых нейронов, говорит, в частности, то обстоятельство, что появление сенсорных ощущений можно вызвать и путем прямой стимуляции сенсорных областей 200 Биофизика коры головного мозга электрическим током у больных при нейрохи рургических операциях, проводимых под местной анестезией. Вместе с тем для возникновения субъективного ощущения не обходим, очевидно, определенный уровень такой активации, посколь ку отдельные сенсорные сигналы могут оставаться неощущаемыми, несмотря на то, что, судя по электрофизиологическим показателям, они несомненно поступают в корковые структуры. Существенную роль играет и общий уровень активности коры большого мозга, поддерживаемый неспецифическими влияниями из подкорковых структур, в первую очередь из ретикулярной формации мозгового ствола. При снижении этого уровня способность к сознанию обрати мо исчезает. 6 .1 .4 . Биосенсоры Сенсорные системы кожи. Рецепторы кожи представляют со бой весьма сложный комплекс и расположены на относительно боль шой поверхности (примерно от 1,5 до 2,5 м2), в самых различных уча стках кожного покрова. Толщина кожи (без подкожной клетчатки) колеблется от долей миллиметра (веки, наружный слуховой проход) до 4 мм (ладони и подошвы). Чтобы представить функционирование сенсорных систем кожи, необходимо рассмотреть структуру кожного покрова, так как различные рецепторы кожи расположены в разных ее слоях, что обеспечивает их совместное специфическое реагирова ние на внешние стимулы. Например, к кожным ощущениям традици онно относят следующие: чувство легкого прикосновения и осязания, давления, укола и боли, тепла и холода, вибрации, зуда, щекотки. Восприятие каждого раздражителя характеризуется не только боль шим числом интенсивностей, но и значительным количеством харак терных оттенков. Например, различают до 250 разновидностей боле вых ощущений (резкая, свербящая, ноющая, колющая, острая, жгучая, тупая и др.). Следует сразу отметить, что нет полного соот ветствия между морфологическим строением концевых нервных ап паратов кожи и характеристикой ощущения от воздействия внешнего стимула. Кожа состоит из трех основных слоев: эпидермиса, дермы и гиподермы (рис. 6.7). 201 I пава 6. Сенсорные системы организма Слои кожи связаны достаточно плотно, и четко выраженной границы между ними нет, что обеспечивает не только механическую прочность кожи, но и ее другие функциональные особенности. В са мом верхнем или наружном слое кожного покрова (эпидермисе) вы 10 1 2345 б) Рис. 6 .7. Строение кожи a —схематическое изображ ение основных компонентов кожи: I - роговой слой (с изменяющимися по глубине кератиноцитами), 2 - волос, 3 - волосяной фолликул, 4 - сальная ж елеза, 5 - потовая ж елеза, 6 - дерма, 7 - кровеносные сосуды; б - структура кож ного покрова: I - эпидермис, I I — дерма, I I I -ги п о д е р м а ; слои эпидермиса и дермы: I - роговой, 2 - стекловидный, 3 - зернистый, 4 - шиловидный, 5 - базальный, 6 - сосочковый; 7 - сетчатый; 202 Биофизика деляют до 5 различных слоев. В зависимости от локализации кожно го покрова число слоев и их толщина могут существенно меняться. Например, в области век толщина эпидермиса варьирует от 60 до 90 мкм, а в области ладоней и подошв от 0,5 до 0,8 мм. В эпидермисе по мере удаления от поверхности в глубь кожи расположены рого вой, блестящий (стекловидный), зернистый, шиловидный и базаль ный (основной)слои. Базальный слой - самый глубокий и граничит непосредственно с дермой. Он состоит из одного ряда призматических (цилиндриче ских) клеток, которые отделены друг от друга узкими канальцами. Кроме этих клеток, в базальном слое находится небольшое число ветвистых клеток с многочисленными отростками, которые оплета ют призматические клетки, контактируя таким образом с клетками вышележащих слоев. Клетки базального слоя являются основными рбстковыми элементами эпидермиса, из которых образуются клетки всех вышележащих слоев. Кроме того, в цитоплазме клеток базаль ного слоя находится пигмент - меланин, располагающийся в виде ко ричневых зерен различной величины. Меланин защищает кожу от повреждающего действия солнечного света благодаря сильному по глощению ультрафиолетовой части спектра. Шиловидный слой, расположенный над базальным, состоит из 5-10 рядов клеток, которые в глубине имеют кубическую форму, а по мере приближения к зернистому слою становятся более плоски ми. В шиловидном слое находится и ряд других клеток, имеющих многочисленные отростки. Клетки шиловидного слоя без резких гра ниц переходят в зернистый слой, который содержит от 1 до 2-4 (ла дони, подошвы) рядов клеток, вытянутых параллельно поверхности эпидермиса. Блестящий (стекловидный) слой расположен выше зер нистого и состоит из клеток вытянутой формы, содержащих белко вое вещество (элеидин), сильно преломляющее свет. Предполагают, что этот слой выполняет барьерную функцию кожи для воды и элек тролитов. Верхним слоем эпидермиса является роговой слой, кото рый состоит из тонких безъядерных ороговевших клеток, вытянутых в длину. Эти клетки прочно связаны между собой и заполнены кера тином. В наружной части роговой слой менее компактен, отдельные I пава 6. Сенсорные системы организма 203 пластинки отстают от общей массы, т.е. наблюдается процесс физио логического шелушения. В эпидермисе находится большое число нервных окончаний, а кровеносные сосуды в нем отсутствуют, и питание клеток осущестмляется интерстициальной жидкостью и лимфой. Граница между эпидермисом и дермой волнистая вследствие так называемых кож ных сосочков, которые представляют собой выросты из поверхности дермы. Промежутки между сосочками заполнены эпителиальными огростками. Дерма, или собственно кожа, находится между эпидермисом и подкожной жировой клетчаткой и состоит из двух слоев: сосочкопого (подэпителиального) и сетчатого. Сосочковым слоем считает ся часть дермы от эпидермиса до поверхностной сети кровеносных сосудов. Волнообразная граница между эпидермисом и дермой обеспечивает более плотное соединение этих слоев и улучшает ус ловия питания эпидермиса в результате увеличения поверхности соприкосновения, не содержащей кровеносных сосудов (эпидер мис), и дермы, в которой находятся капилляры. Высота сосочков свя зана с толщиной эпидермиса, в области ладоней и подошв сосочки имеют наибольшую высоту. Структура дермы образована волокни стой субстанцией, в которую входят коллагеновые, эластические и другие волокна, а также бесструктурным аморфным промежуточ ным веществом, расположенным между волокнами соединительной ткани. В сосочковом слое расположены тонкие пучки коллагеновых волокон и значительное количество тонких эластических и аргирофильных (преколлагеновых) волокон. Сетчатый слой состоит из более компактных толстых коллагеновых пучков, которые переплетаются в густую петлистую сеть. Между этими волокнами располагаются также более толстые эластические волокна, которые тоже образуют густое сплетение. Структура сетчатого слоя в основном определяет прочность кожи, неодинаковую на разных участках кожного покро ва. Сетчатый слой дермы без резких границ переходит в подкожную жировую клетчатку. Подкожная клетчатка, или гиподерма, состоит из толстых пуч ков коллагеновых и эластических волокон, которые идут из сетчато го слоя дермы. Они образуют широкопетлистую сеть, в петлях кото 204 Биофизика рой находятся скопления крупных жировых клеток - дольки жировой ткани. В гиподерму входит и кожная фасция, состоящая из плотной соединительнотканной пластинки. От верхней поверхности фасции по направлению к дерме идут пучки соединительнотканных волокон, которые образуют решетчатую структуру. От плотности и длины коллагеновых и эластических пучков зависит подвижность кожи над подлежащими тканями и органами. Толщина гиподермы значительно колеблется как у разных лиц, так и на различных участ ках тела одного и того же человека. Обычно в области черепа ее тол щина около 2 мм, в области спины 5... 10 мм, в области живота и яго диц - несколько сантиметров. Гиподерма отсутствует на веках, под ногтевыми пластинками, на крайней плоти, малых половых губах, мошонке и слабо выражена в области носа, ушных раковин, на крас ной кайме губ. Подкожная жировая клетчатка защищает организм от механических повреждений и холода. В ее толще расположены сосу ды и нервы, а в верхнюю часть могут проникать луковицы некото рых волос и клубочки потовых желез. Кровеносная система кожи состоит из нескольких сетей крове носных сосудов. Идущие от фасции крупные артериальные сосуды проходят через гиподерму, по пути давая веточки для жировых до лек. На границе дермы и гиподермы эти артерии делятся на ветви, которые идут в продольном направлении и соединяются между со бой анастомозами (шунтами). Так образуется глубокое кожное арте риальное сплетение, из которого отходящие веточки питают клубоч ки потовых желез, волосяные фолликулы и жировые дольки. Кроме того, от глубокого артериального сплетения отходят по направлению к дерме еще довольно крупные артерии, достигающие подсосочкового слоя и образующие здесь поверхностное - подсосочковое - арте риальное сплетение. Мелкие артериальные веточки, отходящие от этого сплетения, питают мышцы, сальные и потовые железы, волосяные фолликулы. От артерий отходят капилляры, которые достигают сосочков, образу ют там петли и возвращаются назад уже в виде венозных капилля ров, более широких, чем артериальные. Венозные капилляры, соби раясь от сосочков, сальных желез, выводных протоков потовых желез волосяных фолликулов и мышц, образуют первое поверхност- Гпава 6. Сенсорные системы организма 205 нос венозное сплетение. Всего до границы с гиподермой располага ется 4 венозных сплетения. Выходящие из четвертого сплетения вены проходят через гиподерму и вливаются в подкожные вены. Наиболее мощная сеть кровеносных сосудов кожи расположена на лице, в области ладоней, подошв, в коже красной каймы губ, поло вых органов и вокруг анального отверстия. Лимфатическая система в коже образует поверхностную и глу бокую сети. Поверхностная лимфатическая сеть начинается в сосоч ковом слое слепыми закругленными расширенными капиллярами, между которыми имеются многочисленные анастомозы. Вторая сеть лимфатических сосудов расположена в нижней части дермы. Это широкопетлистая капиллярная сеть, образующая лимфатическое сплетение, которое глубже переходит в лимфатические стволы. В коже также находятся сальные и потовые железы, волосы и разветвленная сеть нервных волокон. Сальные железы распростра нены во всей коже, их нет только на ладонях и подошвах. В боль шинстве случаев они связаны с волосяными фолликулами, около каждого из которых имеется от 1 до 8 желез. Размер сальных желез значительно варьирует. Наиболее крупные расположены в коже носа, щек, в области грудины, над и между лопатками. Потовые же лезы разделяются на два вида: эккриновые (мерокриновые) и апокри новые. В железах первого вида клетки при секреции сохраняются, а в железах второго вида верхняя часть клеток разрушается и переходит в секрет. Количество потовых желез в коже человека превышает 2 млн и выделяют они в сутки до 0,8 л пота, а при перегревании организ м а - д о 1,5 л и даже более. Потовые эккриновые железы расположе ны на всем кожном покрове, кроме красной каймы губ и некоторых участков половых органов. Особенно много их в коже ладоней и по дошв, а также на лбу, груди, животе, предплечьях. Тело железы рас полагается в глубоких слоях дермы, иногда в верхних слоях гиподер мы и связано с поверхностью кожи длинным выводным протоком. Апокриновые потовые железы находятся преимущественно в подмы шечных впадинах, вокруг заднего прохода и грудных сосков, в на ружных половых органах женщин, в паху, на лобке и вокруг пупка. По размеру апокриновые железы больше эккриновых, их выводные 206 Биофизика протоки открываются в волосяной фолликул, тело железы располо жено глубоко в подкожной жировой клетчатке. Функции апокрино вых и половых желез связаны, поэтому до полового созревания они недоразвиты, а в преклонном возрасте их функции ослабевают. В коже расположено большое число нервных волокон, специа льных концевых нервных аппаратов (нервных окончаний), которые образуют обширное рецептивное поле кожи, выполняющее функцию сенсорной системы. В глубоких отделах гиподермы заложено основ ное нервное сплетение, от которого берут начало нервы кожи. Затем они проходят через толщу собственно кожи, образуя по пути много численные веточки, идущие к волосяным фолликулам, сальным и по товым железам, мышечным волокнам и сосудам кожи. В подсосочковом слое находится сплетение, состоящее из густо расположенных нервных волокон. От этого сплетения отдельные нервные веточки проникают в сосочки и эпидермис. Подходя к эпидермису, тонкие нервные волокна теряют свою миелиновую оболочку и проникают в межклеточные канальцы основного и шиловидного слоев. Выделяют две группы рецепторов кожи - свободные нервные окончания и инкапсулированные нервные тельца. Свободные нер вные окончания имеют либо древовидную форму, либо форму клу бочков, иногда с утолщением воронкообразной или другой формы на конце нервного волокна. Примеры этих рецепторов показаны на рис. 6 .8 . Корни волос окружены кольцевой сеточкой нервных эле ментов (рис. 6 .8 , а), которые раздражаются при сгибании волоса. Корзинчатые окончания, оплетающие волосяные фолликулы, отсут ствуют на частях тела, лишенных волос (около 5% поверхности кож ного покрова). Их относят к рецепторам давления, а тактильные точ ки на коже, покрытой волосами, обнаруживаются у корней волос. Разветвленные свободные нервные окончания (рис. 6 .8 , б) располо жены по всему кожному покрову. Все области кожи иннервируются большим числом нервных волокон, причем каждое из них ветвится вновь и вновь так, что отростки одного волокна могут распространя ться на площади от долей до единиц квадратных сантиметров. Резу льтатом этого является сложная система перекрестной иннервации кожи многочисленными нервными волокнами. 207 I пива 6. Сенсорные системы организма Рис. 6.8. Свободные нервные окончания в коже а - нервное окончание вокруг волосяного фолликула, б - ветвящиеся нервные окончания Инкапсулированные нервные тельца имеют вокруг тонких нериных окончаний (терминалей) нерва соединительнотканную оболоч ку (капсулу). В зависимости от особенностей строения концевых разиствлений нерва (внутренняя колба) и наружной капсулы различают несколько разновидностей этих рецепторов, основные из них пред ставлены на рис. 6.9. В коже человека различают: Пластинчатые тельца имеют капсулу из соединительноткан ных пластинок, весьма тонких, между которыми находится тканевая жидкость. В центре капсулы располагается полость (внутренняя кол ба), в которую входит нервное волокно, лишенное миелиновой обо лочки (рис. 6.9, а). Это волокно тянется вдоль всей внутренней кол бы, давая тонкие боковые веточки, и заканчивается утолщением булавовидной формы. Тельца Пачини являются самыми крупными инкапсулированными рецепторами, достигающими в длину 3 мм и более. Расположены они обычно в подкожной жировой клетчатке, причем особенно много их в области ладоней, подошв и половых ор ганов. Этим рецепторам приписывают восприятие чувства глубокого б) Рис. 6.9. Инкапсулированные нервные тельца а - пластинчатое тельце (Фатера-Пачини), б - тельце Мейснера, в - колба Краузе 208 Биофизика давления и проприорецептивное ощущение (мышечное чувство). Выделяют еще видоизмененные пластинчатые тельца (тельца Гольдж и-М аццони), имеющие сходную структуру, но существенно мень ших размеров, и расположенные не в гиподерме, а в дерме, почти не посредственно под сосочками и в самих сосочках. Тельца Мейснера, или осязательные тельца, имеют удлинен но-овальную форму (рис. 6.9, б) и располагаются прямо в сосочках. Наружная соединительнотканная капсула их тонкая, внутри нее пер пендикулярно к длинной оси расположены так называемые «осязате льные клетки». Миелинизированное (мякотное) нервное волокно, подходя к краю капсулы, теряет свои оболочки и в виде цилиндра без миелиновой оболочки проходит в капсулу, где образует утолщение в форме менисков, прилегающих к «осязательным клеткам». Из на звания рецепторов понятно, что им приписывают чувство осязания (легкого прикосновения). У человека, для которого осязание имеет важное значение, эти рецепторы представлены весьма широко. Боль ше всего осязательных телец Мейснера расположено в кончиках па льцев, в губах и слизистой оболочке языка. О природе процессов, происходящих в клетках капсулы и не посредственно в терминали инкапсулированного нервного тельца, пока нет точных сведений. Несущественные отличия в характеристи ках этих процессов в различных типах механорецепторов указывают особенности той импульсной активности, которая распространяется от них по нервному волокну. В одних случаях эта активность длится на протяжении всего времени действия механического раздражите ля, лишь постепенно становясь более редкой в связи с адаптацией. Такие рецепторы, очевидно, передают информацию о силе, а также длительности стимула и могут быть обозначены как пропорциональ ные. Сюда относится осязательный мениск (тельце Меркеля). В других случаях разряд импульсов возникает лишь в начале стимула. Такие рецепторы адаптируются очень быстро, и импульсация быстро прекращается, несмотря на продолжающееся действие стимула. Но она оказывается очень зависимой от скорости нарас тания силы стимуляции: при увеличении последней число импуль сов в начальном разряде возрастает. Иными словами, такой рецеп тор передает информацию не столько об интенсивности стимула, 209 I пава б. Сенсорные системы организма сколько о скорости ее изменения. Поэтому его называют диффе ренциальным рецептором (т.е. реагирующим на производную от стимула). Некоторые механорецепторы занимают по этим характе ристикам промежуточное положение и соответственно могут быть названы пропорционально-дифференциальными. На рис. 6.10 пред ставлены примеры регистрации активности различных типов кож ных механорецепторов. Наконец, в коже присутствуют механорецепторы, приспособ ленные к оптимальной передаче сигналов о синусоидальных механи ческих колебаниях тканей (т.е. о вибрации). Сюда относятся плас тинчатые тельца (тельца Пачини), располагающиеся в подкожной жировой клетчатке. Эти рецепторы относятся к быстроадаптируюпщмея, поскольку при непрерывном механическом раздражении они нсегда отвечают на него лишь одним начальным импульсом. Однако при синусоидальной стимуляции такой импульс появляется в ответ 0,1 Н/СМ2 0ДН/СМ2 0,6 Н/СМ2 J ^ ■ И JL IIIIII1IIIII Л И 111 a) мм д 2 1 0 б) 1ЮГц 5 5 Гц w * ш/м IIIIIIIIIII I I I I I I в) Рис. 6.10. Импульсная активность различных механорецепторов кожи кошки а —медленно адаптирующийся (пропорциональный) рецептор. Вверху указана сила давления на кожу; 6 - быстро адаптирующийся (дифференциальный) рецептор, реагирующий на скорость надавливания на кожу; в - вибрационный рецептор (рецептор ускорения). Вверху указана частота вибраций 14 - 9844 210 Биофизика на каждое колебание, причем сила ощущений зависит от частоты ко лебаний. По мере повышения частоты (в определенных пределах) порог снижается пропорционально квадратичной степени увеличе ния частоты. По существу рецептор оказывается реагирующим на ускорение прогибания расположенной над ним кожной поверхности и поэтому может быть обозначен как рецептор ускорения. Колбы Краузе тоже имеют тонкую соединительнотканную кап сулу овальной формы. Нервное волокно без миелиновой оболочки входит в капсулу, внутри которой образует густой клубок (см, рис. 6.9, в). Расположены колбы Краузе в сосочках и под ними, эти рецепторы ответственны за восприятие чувства холода, т.е. являются Холодовыми рецепторами. Тельца Руффини по своему строению ана логичны колбам Краузе, но располагаются значительно глубже в глубоких отделах дермы и в верхних отделах гиподермы. Их отно сят к тепловым рецепорам. Следовательно, колбы Краузе и тельца Руффини являются терморецепторами. Приведенный анализ характеристик активности различных ре цепторов кожи иллюстрирует второй важнейший принцип, на кото ром строятся в организме кодирование, передача и последующий ана лиз информации о раздражителях. Различные стороны одного и того же по своей физической природе стимула оказываются воспринимае мыми различными рецепторными структурами, и информация о них передается дальше по различным проводникам. Эти рецепторы и свя занные с ними проводники могут быть обозначены как детекторы со ответствующих свойств раздражителя, сведения о которых поступа ют и кодируются пространственным перераспределением активности в разных сенсорных путях. Этот принцип пространственного кодиро вания, наряду с упомянутым выше частотным кодированием, являет ся основой всей сенсорной деятельности. Вестибулярная сенсорная система. Вестибулярный анализа тор участвует в регуляции положения и движения тела в пространст ве, в поддержании равновесия и регуляции мышечного тонуса. Периферический отдел анализатора представлен рецепторами, расположенными в преддверии улитки, находящейся внутри височ ной кости. На рис. 6.11 изображено взаимное расположение улитки и ее преддверия. I нива 6. Сенсорные системы организма 211 Рис. 6.11. Улитка и ее преддверие 1 - височная кость; 2 - вертикальные полукружные каналы; 3 - горизонтальный полукружный канал; 4 —купула; 5 -м акулы вестибулярного аппарата; 6 -улит ка; 7 - полость среднего уха Вестибулярные рецепторы возбуждаются при изменении ско рости вращательного движения, прямолинейном ускорении, измене нии направления силы тяжести, вибрации. Нервные импульсы, воз никшие в этих рецепторах, поступают по вестибулярному нерву н ствол мозга, а оттуда по проводящим путям - к центральному отделу анализатора, расположенному в передних отделах височной доли коры головного мозга. В результате возбуждения нейронов этого от дела коры возникают ощущения, дающие представления о положении тела и отдельных его частей в пространстве, способствующие сохра нению равновесия и поддержанию определенной позы тела в покое и при движении. При этом действуют особые механизмы трансформа ции внешней силы в механическое воздействие на так называемые во лоски рецепторной клетки, выступающие из ее апикального полюса н эндолимфу. Поэтому рецепторные клетки называются волосковыми. Будучи расположенными в полукружных каналах, они реагиру ют на угловые перемещения эндолимфы, а значит, и всего тела чело века и животного. В преддверии улитки, кроме полукружных каналов, находятся еще две структуры: маточка и мешочек. Их волосковые клетки реагируют на прямолинейные перемещения тела. Рецепторным органом маточки и мешочка (см. рис. 6.12, а) яв ляются так называемые пятна. Волоски клеток, образующих пятна, м* 212 Биофизика а) б) в) Рис. 6.12. Упрощенная модель вестибулярного аппарата а - аппарат, воспринимающий линейные ускорения (1 - отолиты, 2 - отолитовая мембрана, 3 - волосковые клетки); б, в - аппарат, воспринимающий угловые ускорения (1 - ампула, 2 - купула, 3 - полукружный канал с перилимфой, 4 - волосковая клетка, 5 - гребешок); б - в покое, в —при угловом перемещении направлены внутрь заполненной эндолимфой полости, где они по гружены в желеобразную массу, заключающую в себе кристаллики кальциевых солей (камешки - отолиты). Вследствие своеобразия этих кристалликов пятна нередко называют отолитовым прибором. При наклоне головы под действием силы земного притяжения происходит смещение отолитов, что ведет к сгибанию волосков. Сги бание волосков, как у других механорецепторных клеток, передает сигнал на контактирующие с рецепторной клеткой нервные оконча ния. Регистрация активности последних показала, что ритмическая импульсная активность генерируется рецептором и в том случае, ко гда волоски выпрямлены. При сгибании их в одну сторону она прекра щается, а при сгибании в другую - учащается. Так как макулы мешоч ка и маточки расположены в разных плоскостях - одна примерно в горизонтальной, а другая - в вертикальной, то при любом положении головы в пространстве будет иметь место особое сочетание импульс ной активности в иннервирующих их афферентных нервных волок нах, передающих в нервные центры информацию об этом положении. Три полукружных канала, расположенные во взаимно перпен дикулярных плоскостях, образуют декартову систему координат. Их механорецепторными органами являются так называемые гребешки, образованные волосками рецепторных клеток и желеобразной мас сой (рис. 6 . 1 2 , б, в). Гребешки сосредоточены в расширениях (ампулах) каждого из трех каналов. Погруженные в желеобразную массу, гребешки пере I пава 6. Сенсорные системы организма 213 гораживают канал подвижной желеобразной перегородкой (купулой). Как показали прямые наблюдения, смещение купулы и, следо вательно, сгибание или разгибание волосков происходит при перемещениях эндолимфы в канале. В свою очередь, такие переме щения возникают в случае ускорения или замедления вращения го ловы в плоскости, в которой расположен соответствующий канал (вследствие инерции эндолимфы). При переходе вращения в равно мерное купула медленно возвращается в свое исходное положение. Таким образом, эта рецепторная система оказывается сенсором вра щательного ускорения. Она сигнализирует о нем разрядом импуль сов, частота которого уменьшается и приобретает стационарный ха рактер при переходе к равномерному вращению или к покою. 11 физиологических условиях ускорения вращения являются посто янно встречающимися раздражителями, возникающими при каждом движении головы. Равномерное же вращение - состояние, как прави ло, искусственное, возникающее в связи с развитием техники, поэто му оно и не является адекватным раздражителем для сенсорных кле ток полукружных каналов. Двигательный анализатор. Положение тела или его отдельных частей в пространстве определяется функционированием не только вестибулярного, но и так называемого двигательного анализатора. Рецепторы двигательного анализатора расположены в скелет ных мышцах, связках, сухожилиях, суставных капсулах. Так, в сое динительнотканной капсуле сустава расположены ветвящиеся нер вные окончания диаметром 7-10 мкм. Расположение и свойства этих рецепторов позволяют им информировать центральную нервную си стему об устойчивом положении суставов, направлении, скорости и амплитуде движения суставных поверхностей. Чувствительность и быстродействие их высоки, а адаптация развивается медленно. Аналогичные рецепторы находятся вблизи связок. Их рецепторы, расположенные в соединительной ткани, окружающей сустав, быст ро адаптируются, и от них отходят крупные афферентные волокна нервов, иннервирующих сустав. Рецепторы суставов и мышц обеспечивает формирование сиг налов о том, как совершаются движения, и о степени напряжения, которое добавляется при сопротивлении движению, например при 214 Биофизика а) 6) Рис. 6.13. Мышечные веретена а —мышца напряжена, кольца спирали нервного окончания сжаты; б-м ы ш царасслаблен а, витки спирали растянуты (1 - мышечное волокно, 2 - витки спирали нервного окончания без миелиновой оболочки, 3 - миелиновая оболочка, 4 - перехват Ранвье, 5 - аксон) подъеме тяжелого груза или нарушении кровообращения. Восприя тие движения конечностей зависит от стимуляции рецепторов суста вов, а не мышц или кожи. Доказано это было путем воздействия ко каином на последние (кокаин обладает местным анестезирующим действием), при этом оценка положения и движения сустава сохра нялась. Пропускание же электрического тока через сустав сущест венно нарушало эту оценку. Измерение пороговой чувствительности смещения суставов (при скорости смещения 0,3%) показало, что у человека самым чувствительным является плечевой сустав (0 ,2 0,4°), а наименее чувствительным - голеностопный (1,2-1,3°). Рецепторы мышц (так называемые мышечные веретена) пред ставляют собой закрученные в виде спирали вокруг мышечного волок на нервные окончания, лишенные миелиновой оболочки (рис. 6.13/ Когда мышца расслаблена (рис. 6.13, а), мышечное веретено не генерирует рецепторный потенциал. При растяжении мышцы (рис. 6.13, б) витки спирали отходят друг от друга, и в них развивает ся деполяризация, т.е. рецепторный потенциал, который обусловлен открыванием натриевых каналов, чувствительных к механической деформации плазмолеммы нервного окончания, входящего в состав мышечного веретена. Этот потенциал распространяется электрото нически (с декрементом) со скоростью электромагнитной волны до ближайшего перехвата Ранвье того же нервного волокна, что приво дит к генерации потенциалов действия, следующих без декремента в центральную нервную систему. После ряда синаптических передач сигнал от проприоцепторов достигает коры головного мозга. Корко вая часть двигательного анализатора состредоточена преимущест- I пава 6. Сенсорные системы организма 215 пенно в передней центральной извилине. Там осуществляются вы сший анализ и синтез двигательных реакций. Наличие двусторонней связи между передней центральной извилиной и мышцами создает условия для информирования коры головного мозга о текущем со стоянии двигательного аппарата, что позволяет точно и тонко управ лять мышечными движениями. Кроме мышечных веретен, проприорецепторами являются лу ковицеобразные тельца (Гольджи), расположенные в сухожилиях, пластинчатые тельца Паччини, обнаруженные в фасциях, покрываю щих мышцы, в сухожилиях, связках и надкостнице. Изменение актив ности различных проприорецепторов происходит в момент сокраще ния или расслабления мышц. Так, возбуждение мышечных веретён отмечается при удлинении (в момент расслабления или растяжения) мышечных волокон. Луковицеобразные тельца возбуждаются при со кращении мышечных волокон. При повышении активности мышеч ных веретен импульсы, поступающие от них в центральную нервную систему, облегчают сокращения данной мышцы и тормозят сокраще ние мышцы-антагониста. Импульсы, приходящие в центральную нервную систему от луковицеобразных телец, вызывают противопо ложную реакцию, т.е. тормозят сокращение данной мышцы и способ ствуют сокращению мышцы-антагониста. В обеспечении движения принимают участие не только двига тельный и вестибулярный анализаторы, но также кожная, зритель ная и слуховая сенсорные системы. Следовательно, любой двига тельный акт является итогом совместной деятельности различных анализаторов. Интерорецептивный анализатор. Этот анализатор обеспечи вает поддержание постоянства внутренней среды организма (гоме остазиса). Интерорецептивный анализатор, как и другие сенсорные систе мы, состоит из трех отделов. Однако каждый из них имеет свои осо бенности. Периферический отдел образован разнообразными интерорсцепторами, диффузно расположенными во внутренних органах. Проводниковый отдел включает несколько различных по функцио нальному значению нервов, которые иннервируют внутренние орга ны, а также проводящие пути головного и спинного мозга. Централь 216 Биофизика ный отдел располагается в моторной и премоторной областях коры головного мозга. Функционирование интерорецептивного анализато ра у здорового человека обычно не сопровождается ощущениями. Хемосенсорные системы. Способность реагировать на различ ные химические воздействия-важнейшая функция организма, осуще ствляемая с помощью специализированных хеморецепторных клеток. С одной стороны, она позволяет определить источник химического воздействия на расстоянии путем восприятия летучих веществ из воз духа (обоняние). Такая химическая чувствительность является не только способом поиска пищи, но и широко используется в коммуни кации организмов, например для привлечения особей противополож ного пола при половом поведении или при отпугивании врагов. С дру гой стороны, она служит для оценки химических веществ при непосредственном контакте с ними (вкус). Наконец, химическая чув ствительность широко распространена во внутренних органах (напри мер, в стенках сосудов), где она воспринимает изменения химического состава внутренней среды организма. В связи с такими различиями в принципах функционирования клеточные механизмы хеморецепции также оказываются очень раз личными. Особенности интерорецептивной хеморецепции, а также вкусовой и обонятельной сенсорных систем изложены далее. Термосенсорная система. Восприятие температуры внешней среды и ее изменений - также весьма важный фактор, определяющий реакции организма, в особенности теплокровного. Как показывают психофизические наблюдения, при этом речь идет о двух различных рецепторных системах - рецепторах тепла и рецепторах холода. При локальной тепловой стимуляции кожи можно легко показать различ ное пространственное расположение этих рецепторов - так называе мые тепловые и холодовые точки. Расположение терморецепторов на поверхности тела обеспе чивает включение регуляторных механизмов до того, как темпера турные изменения достигнут ядра тела. В теории автоматического регулирования такие системы называются системами с управлением по возмущению (в отличие от систем с регулированием по отклоне нию). Важно отметить, что терморецепторы кожи реагируют не толь ко на знак и величину изменения внешней температуры, но и на ско / пава 6. Сенсорные системы организма 217 рость изменения, т.е. на производную по времени. Благодаря этому мри быстрых температурных возмущениях возможна особенно инннсивная регуляция. Терморецепторы располож ены не только в коже, но и в про межуточном мозге, о чем пойдет речь при рассмотрении системы терморегуляции организма. Сенсорная система боли. Болевые рецепторы представляют собой особую группу рецепторных структур, характеризующуюся отсутствием специфической чувствительности к раздражителю опре деленной модальности. Основным условием активации таких рецеп торов является большая интенсивность внешнего воздействия, кото рая может повредить организм. Функциональная роль болевой рецепции очевидна - она сигнализирует об опасности воздействия м вызывает комплекс реакций, направленных на устранение такой опасности. Много болевых рецепторов на внешних покровах тела коже и слизистых оболочках. Кроме того, они многочисленны и в ряде внутренних органов - в основном в их оболочках (плевре, пери карде, твердой мозговой оболочке и др.). Вопрос о структуре болевых рецепторов до сих пор является дискуссионным. До последнего времени преобладало мнение, соглас но которому ноцицептивные сигналы возникают не в специализироианных, а в любых рецепторах, когда на них действуют сверхсильные раздражители. Сигналом о повреждающем воздействии является осо бый характер нервной импульсации, который каким-то образом оце нивается в центральных нервных структурах как болевой. Однако в настоящее время появляются данные о наличии осо бых (специализированных) ноцицепторов. Так, в коже при точечной стимуляции острым предметом четко выделяются болевые точки, воздействие на которые не вызывает никаких иных ощущений, кро ме боли. С наибольшей вероятностью к ноцицепторам можно отнес ти свободные нервные окончания. Особенно четко принадлежность свободных нервных окончаний к ноцицепторам видна в роговице поверхности, обладающей весьма высокой болевой чувствительно стью при отсутствии в ней каких бы то ни было рецепторов, кроме свободных нервных окончаний. Вероятно, среди ноцицепторов есть все же некоторая специализация: определенные болевые точки эф 218 Биофизике фективнее раздражаются сильными механическими, а другие - силь ными термическими воздействиями, некоторые в равной мере чувст вительны к тем и другим. В связи с ничтожными размерами ноцицепторов не представ ляется пока возможным определить биофизические механизмы трансформации в них энергии раздражителей в электрический сиг нал. Возможно, что в некоторых случаях этот процесс включает про межуточный механизм, например сдвиги химического статуса (изме нение pH, выделение особых биологически активных веществ) тканей, окружающих ноцицепторы. Характерной особенностью ноцицепторов является отсутствие в них выраженной адаптации. Более того, в ряде случаев отмечается противоположное явление - повышение эффективности раздражения при длительном его действии (сенситизация). Эта особенность соот ветствует функциональному назначению болевой чувствительно сти - предупреждению об опасности, которая ни в коей мере не осла бевает при повторении повреждающего стимула. Электрорецепция. Электрорецепторы были открыты и иссле дованы сравнительно недавно - в середине XX в. Реакция рыб на сла бые электрические поля была известна ученым давно, но считалось, что при прохождении тока через воду в ней изменяется распределе ние ионов и это влияет на вкус воды. Однако экспериментального подтверждения данное предположение не имело. Электрорецепторы обнаружены у многих морских и пресноводных рыб (акул, скатов, со мов и других), а также у миног. Позднее такие рецепторы были от крыты у амфибий (саламандр и аксолотля) и у млекопитающих (утко носов). У разных животных электрорецепторы имеют разное располо жение: на голове, вдоль тела, на плавниках и по своему строению они отличаются, образуя иногда специализированные органы. Рас смотрим один из таких органов - ампулу Лоренцини как наиболее чувствительный электрорецепторный орган. Итальянский ученый Лоренцини описал этот орган в 1678 г. и предположил, что ампула вырабатывает слизь рыбы. Этот рецепторный орган представляет со бой подкожный канал, один конец которого открыт в наружную сре ду, образуя пору, а другой оканчивается глухим расширением (ампу- I пава 6. Сенсорные системы организма 219 ной Лоренцини). Просвет канала заполнен желеобразной массой, н электрорецепторные клетки выстилают в один ряд дно ампулы. Все клетки эпителия, выстилающего стенки канала, прочно соединены между собой плотными контактами, что обеспечивает высокое удеш.ное электрическое сопротивление эпителия - около 6 МОм • см 2 (поскольку рассматривается поверхность, а не объем, то удельное со противление измеряется в Ом • м2). Канал, покрытый такой хорошей изоляцией, проходит под кожей и может иметь длину в несколько де сятков сантиметров. Напротив, желе, заполняющее канал ампулы Лоренцини, имеет весьма низкое удельное сопротивление (около ЮОм • см), что обеспечивается высокой концентрацией ионов ка лия, которая заметно больше, чем в морской воде или плазме крови рыбы. Ионы закачиваются в просвет канала за счет их активного транспорта. Таким образом, канал электрического органа представ ляет собой отрезок хорошего кабеля с высоким сопротивлением изо ляции и хорошо проводящей центральной частью. Дно ампулы выстилают в один ряд несколько десятков тысяч >лектрорецепторных клеток, которые тоже плотно соединены между собой. Таким образом, рецепторная клетка одним концом обращена внутрь канала, а на другом конце образует синапс, где выделяется возбуждающий медиатор, действующий на постсинаптическую мем брану подходящего к клетке окончания нервного волокна. К каждой ампуле подходит 1 0 -2 0 афферентных волокон, каждое из которых образует много веточек (терминалей), идущих к рецепторным клет кам. В результате на каждое нервное волокно приходится примерно 2000 рецепторных клеток. Сами рецепторные клетки имеют разное сопротивление: синаптическая мембрана, где выделяется медиатор, имеет большое сопротивление, а противоположный участок мембра ны, обращенный внутрь ампулы, - малое. Если любую клетку поместить в электрическое поле, то в од ной части мембраны знак потенциала покоя совпадет со знаком на пряженности поля, а в другой - окажется противоположным. Значит, па одной половине клетки мембранный потенциал возрастет (мемб рана гиперполяризуется), а на другой, наоборот, снизится (мембрана деполяризуется). Таким образом, механизм работы электрорецепторпых клеток достаточно прост: при соответствующем знаке внешнего 220 Биофизика поля деполяризуется синаптическая мембрана клетки, и этот сдвиг потенциала управляет выделением медиатора. Естественные электрические поля чрезвычайно слабы, поэтому электрорецепторные органы должны иметь очень высокую чувстви тельность. И это действительно так: например, акулы, скаты и неко торые другие рыбы реагируют на электрические поля напряженно стью 0,1 мкВ/см. Таким образом, все особенности функционирования электрорецепторных органов направлены на то, чтобы, во-первых, получить на синаптической мембране возможно большую разность потенциалов, во-вторых, обеспечить высокую чувствительность ме ханизма выделения медиатора к изменению мембранного потенциа ла, и, в-третьих, выделить полезный сигнал на фоне больших помех. Обеспечению такой высокой чувствительности способст вует устройство ампул Лоренцини. Если напряженность поля Е ~ =^0,1 мкВ/см, а длина канала ампулы / = 1 0 см, то на всю ампулу при дется разность потенциалов [ / = 1 мкВ. Практически все это напря жение будет падать на слое рецепторов, так как его сопротивление гораздо выше, чем сопротивление канала и окружающей его среды. Следовательно, чем длиннее канал ампулы и чем меньше его сопро тивление, тем больше будет падение напряжения на электрорецеп торных клетках. Учитывая, что сопротивление внутренней мембра ны самой рецепторной клетки существенно больше сопротивления синаптической мембраны, все падение напряжения приходится именно на нее. Для увеличения чувствительности электрорецепторных клеток выгодно иметь возможно более высокое сопротивление мембраны, чтобы на ней падала большая часть напряжения. И действительно, сопротивление мембраны, которая выделяет медиатор, у электрорсцепторной клетки очень велико, порядка десятков ГОм. Однако теп ловой шум £/ш такого сопротивления тоже велик. Его можно опреде лить по известному выражению: (С/ ш)2 = 4kTRf, где к - постоянная Больцмана, Т - температура, R - сопротивление, / - полоса частот, в которой рассматривается шум. С учетом приведенного сопротивления мембраны напряжение шума составляет около 30 мкВ, т.е. в 30 раз больше, чем минималь ный воспринимаемый сдвиг мембранного потенциала, возникающий I пава 6. Сенсорные системы организма 221 под действием внешнего поля. Поскольку одно нервное волокно сое диняется через синапсы с 2000 рецепторных клеток, то суммарное напряжение шума всех N клеток определяется как корень квадрат ный из N, т.е. из 2000. В результате получаем, что суммарный сигнал шума (при 1/ш = 30 мкВ), поступающий на нервное волокно, состанит 1350 неких единиц (например, молекул медиатора). В то же иремя полезный сигнал от всех 2000 клеток, формируемый синхро нно, составит 2000 тех же единиц. Значит, отношение сигнал/шум составляет 1,5, что вполне достаточно для выделения сигнала на уровне шума. Большим числом экспериментальных исследований показано, что рыбы используют электрорецепцию для ориентации в мутной иоде, для поиска добычи (акулы и скаты). Например, акула способна обнаружить камбалу, зарывшуюся в ил, по электрическим полям, ге нерируемым ее мышцами при дыхательных движениях. Скаты могут обнаруживать крабов по их биопотенциалам, а сомы обнаруживают даже электрические поля, генерируемые червями, закопавшимися н землю. 6 .2 . Биофизика слуха 6 .2 .1 .Слуховая рецепция Значение слухового анализатора состоит в восприятии и ана лизе звуковых воли. Вследствие этого возможно определение силы, иысоты и тембра звука, его направления, а также степени удаленно сти источника звука. Рассмотрим некоторые понятия, используемые в биофизике. Интенсивностью звука называют энергию, приходящуюся на едини цу площади поверхности перпендикулярно к направлению распро странения звуковой волны в единицу времени: где Е —энергия, S - площадь, t - время, I - также называют плотно стью потока энергии звуковых колебаний (вектор Умова). 222 Биофизика При решении практических задач проще измерить не энергию колебаний, а звуковое давление (р), регистрируемое при помощи мик рофона и выражаемое в паскалях. Звуковое давление линейно связа но с амплитудой звуковых колебаний, и поэтому его квадрат пропор ционален энергии звука при любых двух интенсивностях: Порог слышимости чистого тона при частоте 1 кГц принято считать равным 2 • 10-5 Па, хотя можно наблюдать многократные ин дивидуальные колебания порога слышимости (в пределах 30 дБ). Кроме того, порог слышимости значительно меняется с частотой (рис. 6.14). Может также сильно различаться и наивысшая восприни маемая частота (от 8 до 25 кГц). По закону Вебера-Ф ехнера ощущение громкости связано с со здающим его физическим раздражением логарифмической зависи мостью. Это стимулировало введение единиц уровня интенсивности звука, выражаемых в децибелах: ( 6 .8 ) А дБ 1 Болевой порог 120 Диапазон речи 80 Порог нормального слуха 40 Порог поврежденного слуха 0,01 0,1 10 Рис. 6.14. Характеристики слухового анализатора f. кГц / пава 6. Сенсорные системы организма 223 где р 0 - пороговое значение звукового давления, равное 2 • 10-5 Па при частоте звукового тона 1 кГц, р - регистрируемое значение зву кового давления, / 0 - пороговая интенсивность звука. Таким образом, нулевая точка шкалы громкости соответствует 0 дБ при 1 кГц. При других частотах порог слуха отличается от 0 дБ (рис. 6.21). Строение наружного и среднего уха. Наружное ухо включает ушную раковину и слуховой проход длиной 2,7 см. С наружним ухом связано свойство направленности слухового восприятия, под которым понимают лучшее восприятие звуков, идущих в определен ном направлении. Это обеспечивает локализацию источника звука н пространстве (ототолику), кроме этого, слуховой проход служит резонатором. Его резонансная частота у человека лежит в области 4 кГц у мужчин и 6 кГц у женщин, но резонансная кривая имеет уплощенную форму, поскольку добротность слухового прохода, как колебательной системы, невелика. Разница в коэффициенте передачи звуков резонансной и не резонансной частот не более одного поряд ка. Границей между наружным и средним ухом служит барабанная перепонка (БП). Наружное ухо защищает БП от механических по вреждений и, поддерживая определенные микроклиматические усло вия (температуру, влажность и пр.), стабилизирует ее механические свойства. Таким образом, наружное ухо выполняет следующие функ ции: локализация звука в пространстве, усиление звукового сигнала (резонансное), механическая защита БП, обеспечение микроклимата, что необходимо для нормального функционирования БП. Наружное ухо от среднего отделяется барабанной перепонкой. С внутренней стороны барабанная перепонка соединена с рукояткой молоточка. Колебания барабанной перепонки происходят тогда, ког да на нее падают звуковые колебания, улавливаемые наружным ухом. Натяжение барабанной перепонки в различных частях неоди наковое. Это приводит к тому, что она не имеет своего собственного периода колебаний и колеблется при любом звуке соответственно длине его волны. Среднее ухо предназначено для трансформации звуковых ко лебаний воздуха в звуковые колебания более инерционной жидкой среды внутреннего уха. Это прежде всего импеданссогласующая функция. Кроме того, среднее ухо обладает усиливающей функцией 224 Биофизика Рис. 6.15. Схема строения уха I - ушная раковина; 2 - наружный слуховой проход; 3 - барабанная перепонка; 4 - полость среднего уха; 5 - слуховая труба; 6 - молоточек; 7 - наковальня; 8 —стремечко; 9 —полукружный канал; 10 —улитка; 11 - вестибулярный аппарат как за счет разности площадей барабанной перепонки и овального окна улитки, так и за счет системы рычагов слуховых косточек. При отсутствии среднего уха огромное различие в акустических импедансах воздуха и среды внутреннего уха не позволило бы проникнуть звуковым колебаниям во внутреннее ухо. В состав среднего уха входит система слуховых косточек молоточек, наковальня, стремечко, слуховая (евстахиева) труба (рис. 6.15). Они работают как рычаг, обеспечивающий выигрыш в силе в 1,3 раза. Одна из косточек - молоточек - встроена своей рукояткой в барабанную перепонку, а его противоположная часть сочленена с на ковальней. Наковальня соединена со стремечком, которое прилегает к мембране окна преддверия (овального окна) внутренней стенки среднего уха. Поскольку площадь барабанной перепонки человека (66-69,5 мм2) значительно больше площади овального окна внутрен него уха (3 мм2), общий коэффициент усиления по давлению стре мечка на овальное окно больше двадцати. Слуховые косточки участвуют в передаче колебаний барабан ной перепонки, вызванных звуковыми волнами, окну преддверия, I пава 6. Сенсорные системы организма 225 и затем перилимфе и эндолимфе улитки внутреннего уха. Окно пред дверия расположено на стенке, отделяющей среднее ухо от внутрен него. Там же имеется круглое окно. Колебания жидкости улитки, на чавшиеся у овального окна, распространяются по ходам улитки, не шгухая, до круглого окна. При помощи особого канала - евстахиевой трубы полость среднего уха соединяется с носоглоткой, благодаря чему в полости среднего уха поддерживается давление, равное атмосферному. Если давление в полости среднего уха отличается от атмосферного, то это приводит к неприятным ощущуениям («закладывает уши») и пони жению слуха, так как нарушаются нормальные колебания барабан ной перепонки. Другой важной функцией среднего уха является защита внут реннего уха от чрезмерных механических нагрузок при воздействии очень громких звуков. Это достигается изменением характера коле баний стремечка в зависимости от силы звука. При пороговых значе ниях звукового давления основание стремечка входит в овальное окно и выходит из него, как педаль автомобиля. Абсолютные значе ния смещения очень малы и повторяют движения барабанной пере понки. Для барабанной перепонки величину смещения легко рас считать. Толщина барабанной перепонки (0,1 мм) очень мала по сравнению с длиной звуковых волн, и скорость ее перемещения сов падает со скоростью частиц в плоской волне в воздухе. Средняя ско рость смещения частиц в волне (v) связана со значением звукового давления (р), скоростью распространения звуковой волны (с) и плот ностью воздуха (р) выражением: Произведение рс называеся акустическим импедансом - zaK. В свою очередь, скорость смещения связана с амплитудой сме щения выражением: (6 . 10) 1 - 9 8 44 226 где Биофизика / - частота звуковой волны. Подставив в (6.9) численные значения р = 1,3 кг/м3, с = 340 м/с и порогового значения звукового давления р 0 = 2 ■10_3 Па, получим скорость смещения перепонки v = 5 • 10-8 м/с. Отсюда смещение перепонки при пороговом звуковом давлении равно 1 0-11 м. Если при низких значениях звукового давления смещения основания стремечка практически повторяют движения барабанной перепонки, то при возрастании силы звука характер колебаний стрс мечка меняется. Причиной этого изменения является рефлекторное сокращение тонких мышц внутри барабанной полости, вследствие чего нарушается движение слуховых косточек в соединяющих их су ставах. При средней силе звука стремечко начинает совершать коле бательные движения вокруг вертикальной оси у одного конца оваль ного окна, а при очень громком звуке - вращательные движения вокруг горизонтальной оси, т.е. когда один конец стремечка вдавли вается в овальное окно, другой движется в противоположную сторо ну. Таким образом предотвращаются избыточно сильные движения жидкости во внутреннем ухе. Строение внутреннего уха. В состав внутреннего уха входят преддверие и улитка, в которой расположены рецепторы, реагирую щие на звуковые волны. Преддверие не относится к органу слуха. Вестибулярный аппарат, сосредоточенный в нем, участвует в регуля ции положения тела в пространстве и сохранении равновесия, о чем говорилось ранее. Улитка - это костный постепенно расширяющийся спиральный канал, образующий у человека 2,5 витка. Длина развернутой улитки около 35 мм, а объем - около 100 мкл. Костный канал на всем своем протяжении разделен двумя перепонками: более тонкой, называемой вестибулярной мембраной, или мембраной Рейсиера, и более плот ной и упругой, получившей название основной (базилярной) мембра мы (рис. 6.16). Эти мембраны на вершине улитки соединяются. Кос г ный канал улитки за счет вестибулярной и основной мембран разделяется на три параллельных наполненных жидкостью канала. Вестибулярный и барабанный каналы отделены друг от друга улитко вым каналом (протоком). Улитковый канал заполнен эндолимфой, тогда как в двух других каналах находится перилимфа, которая мо / пива 6. Сенсорные системы организма 227 жег перетекать из одного канала в другой через геликотрему - отвер■гнс в вершине (крючке) улитки. На базилярной мембране находится Кортиев орган, содержащий рецепторные и опорные клетки, а также нервные окончания. Рецепторные (волосковые) клетки ориентированы перпендикуиярно к базилярной мембране. В каждой из двух улиток уха человека с о д е р ж и т с я по 15500 волосковых клеток, из которых 3500 образуют инутренний ряд и 12000 образуют 3-5 наружных рядов. По форме во лосковые клетки внутреннего ряда подобны эллипсоиду, вертикаль ная ось которого составляет в среднем примерно 40 мкм, а горизон- Рис. 6.16. Поперечный разрез витка улитки (по Расмуссену) А - общий вид: 1 - лестница преддверия, 2 - барабанная лестница, 3 —вестибулярная мембрана. 4 - базилярная (основная) мембрана, 5 - улитковый канал, 6 - покровная мембрана, 7 - Кортиев орган, 8 —секреторный эпителий, 9 - спиральная связка, 10 - спиральный ганглий: Б - увечиченный в несколько р а з участок спирального органа: 11 - наружные волосковые клетки, 12 - внутренние волосковые клетки, 13 - нервные волокна, подходящие к валосковым клеткам |г 228 Биофизике тальная примерно 10 мкм. Наружная волосковая клетка имеет цилиндрическую форму. В связи с изменением по ходу улитки ее поперечного сечения меняется и ширина натянутой поперек нее базилярной мембраны. Как это впервые предположил Гельмгольц, последняя может представ лять собой структуру, резонирующую на поступающие во внутреннее ухо звуковые колебания. При этом место максимальных резонансных колебаний должно смещаться в зависимости от частоты звука. Коле бания мембраны будут передаваться на различные волосковые клет ки, и таким образом частота звука будет отражаться в активации ре цепторов, расположенных в разных местах базилярной мембраны: около овального отверстия (у входа в улитку) - звуками высоких час тот, а на вершине улитки (в крючке) - звуками низких частот. Поступающие во внутреннее ухо звуки вызывают ответные ко лебания базилярной мембраны, причем они имеют характер бегущей волны. Ее амплитудный максимум перемещается по мере изменения частоты звука - при высоких частотах он находится у входа в улитку, а при низких - у ее вершины. Рецепторные клетки раздражаются си льнее всего там, где смещение базилярной мембраны максимально. Поэтому под действием звуков разных частот возбуждаются различ ные рецепторы. Таким образом, в слуховой рецепции имеет место пространст венно-временное кодирование характеристик параметров внешнего раздражителя. При изменениях амплитуды и частоты звуковых коле баний изменяются как пространственная структура активности ре цепторов, так и частота разрядов в каждом из них. Извлечение инфор мации об этих параметрах звука осуществляется соответствующими нервными центрами за счет сложного взаимодействия в них процес сов возбуждения и торможения. Среди различных свойств звукового раздражителя мозг способен анализировать и направление звука, что обеспечивается бинауральным слухом. Благодаря ему нейроны цен тральной нервной системы способны оценивать разность фаз между сигналами от правого и левого ушей. При воздушной проводимости звука человек может воспри нимать звуки в очень широком диапазоне - от 16 до 20 ООО колеба ний в 1 с. 229 / лава 6. Сенсорные системы организма Первичный частотный анализ сложной звуковой волны проис ходит с помощью базилярной мембраны улитки внутреннего уха. Максимальные амплитуды колебаний соответствуют тем областям мембраны, которые отвечают воспринимаемому частотному спек тру звука. Следовательно, базилярная мембрана является первич ным частотно-амплитудным преобразователем. Более точная селек ция звукового спектра связана с работой ЦНС. На базилярной мембране происходит сложение двух стоячих волн: волны, возни кающей в пространстве улиткового протока, и волны, возникающей и пространстве барабанной лестницы, рис. 6.17. Уравнение стоячей волны, возникающей в пространстве улит кового протока, имеет вид: е\ V 5 , = 2 /lc o s v sin со;, (6.11) где 5, - смещение в стоячей волне, А - амплитуда колебаний в вол не, со - круговая частота волны, v - скорость звуковой волны в эндо лимфе, X - координата, отсчитываемая от овального окна (4), t время. Уравнение стоячей волны, возникающей в пространстве бара банной лестницы (2-3), имеет вид: 4 Рис. 6.17. Схема внутреннего уха человека (улитка условно развернута) 1 - улитковый проток; 2 —вестибулярная лестница; 3 - барабанная лестница; 4 —овальное окно; 5 - круглое окно; 6 - геликотрема; 7 —базилярная мембрана 230 Биофизика S 2 =2v4cos^—— — sinoM, ( 6 . 12) где S2 - смещение в стоячей волне, / - общая длина вестибулярной и барабанной лестниц, которая примерно в два раза больше длины улиткового протока, (1 —Х) —координата, отсчитываемая от круглого окна (5), v, - скорость звуковой волны в перилимфе. Эти две а'втоволны отличаются, во-первых, скоростными ха рактеристиками, так как плотности перилимфы и эндолимфы различ ны, и, во-вторых, длиной каналов, в которых возникают автоволны. Сложение стоячих волн происходит на базилярной мембране (7), и в соответствии с принципом суперпозиции суммарное смеще ние S равно: S = S X + S 2 = 2/l( cos + cos — — jsincof. (6.13) Как показывают расчеты по формуле (6.13), при сложении сто ячих волн возникает уединенный максимум, положение которого по длине базилярной мембраны и острота зависят от частоты восприни маемого звука. На рис. 6.18 показаны графики зависимости смеще ния S от координаты X, построенные по формуле ( В ( Х ) = 2А COS (йХ +COS (0(1- X ) (6.14) V Рис. 6.18. Смещение максимума колебаний базилярной мембраны по длине базилярной мембраны: (1 - для частоты/ = 104 Гц; 2 - для частоты/ = 3000 Гц) 231 Глава 6. Сенсорные системы организма Рис. 6.19. Зависимость положения максимума колебаний на данной частоте от длины базилярной мембраны для двух значений круговой частоты: кривая 2 - при со = 18840 с-1 ( f = 3 ООО Гц) и кривая 1 - при 0) = 62800 с-1 ( /= 10 000Гц). Скорости зву ка в эндолимфе v = 1 400 м/с, в перилимфе v, = 1 700 м/с. Длина вес тибулярной и барабанной лестниц / = 0,07 м. Как видно из графика рис. 6.18, с уменьшением частоты макси мум смещения сдвинулся к геликотреме (6). На рис. 6.19 показана зависимость положения максимума сме щения на данной частоте/ = со /2л от длины улитки. Расчет прово дился с использованием условия возникновения максимума: I . (ИХ (1-Х) 1 . со _ — sin------------ sin—------- - =0. / v /. ... (6.15) v, В соответствии с (6.15) строилась зависимость/ =j{X). Из рис. 6.19 видно, что наблюдается движение максимума при уменьшении частоты в сторону геликотремы, что соответствует из вестным экспериментам. Более точное количественное совпадение с экспериментами требует учета расширения базилярной мембраны и, как следствие, учета ее упругости, что ведет к большим расчетнымзатруднениям. Однако даже такой приближенный анализ указывает, например, что разрушение преддверной мембраны (мембраны Рейснера) приводит к исчезновению восприятия тембра звука. Действительно, в этом 232 Биофизика случае эндолимфа и перилимфа перемешиваются, скорости звука в них выравниваются v = v, . Благодаря зависимости местоположения максимальной ампли туды бегущей волны на базилярной мембране от частоты, вызываю щей ее звукового тона, происходит распределение этих частот между различными участками Кортиевого органа. Его волосковые клетки возбуждаются, главным образом, в местах максимального смещения базилярной мембраны. Следовательно, звуковой тон каждой частоты возбуждает соответствующие слуховые рецепторы. Так, в улитке осуществляется первый этап частотного анализа звука, который основывается на пространственном разграничении участков базиляр ной мембраны, колеблющихся с неодинаковой амплитудой под дей ствием звукового тона определенной частоты. Звуки пороговой интенсивности вызывают бегущие волны, ам плитуда которых в Кортиевом органе не превышает 10“9 м. При уси лении звуков амплитуда колебаний базилярной мембраны больше этой величины всего на 1-2 порядка, значит, слуховой рецептор реа гирует на ничтожные механические перемещения. Начало этой реак ции связано с движением волосков (цилий) на апикальном полюсе волосковой клетки. Эти смещения обусловлены распределением бе гущей волны по базилярной мембране. Среди цилий в каждой воло сковой клетке различают один длинный волосок (киноцилия) и мно жество (примерно 100-120) коротких (стереоцилий). Рецепция звука обусловлена воздействием механических усилий на стереоцилии. Они прикасаются к покровной мембране, один край которой закреп лен на костной спиральной пластинке, а другой, свободный, нависает над волосковыми клетками. Модель изгиба стереоцилий под дейст вием звуковых тонов схематически показана на рис. 6.20. При совместных колебаниях базилярной и покровной мембран происходит изгиб стереоцилий. Небольшое смещение их свободных концов приводит к значительной конформационной перестройке мо лекул плазмолеммы волосковой клетки в тех местах, где залегают «корни» изогнувшихся волосков, поскольку стереоцилиям присущи свойства микроочагов. Конформации мембранных макромолекул обусловливают изменение проницаемостей для ионов и, следовате- 233 I лава 6. Сенсорные системы организма ПМ С СУ В состоянии покоя Рис. 6.20. Модель изгиба стереоцилий под действием звука КСП - костная спиральная пластинка; Б М - базилярная мембрана; П М - покровная мембрана; СУ - стенка улитки, к которой прикрепляется базилярная мембрана; С - стереоцилии волосковой клетки, У П - улитковый проток, Б Л —барабанная лестница (канал под базилярной мембраной) льно, приводят к возникновению ионного тока через мембрану воло сковой клетки. При отклонении пучка стереоцилий в сторону киноцилии воз никает деполяризация волосковой клетки, а в обратную сторону - ги перполяризация. Например, у ящериц и черепах расстояние, на кото рое нужно отклонить волоски, чтобы получить ответную реакцию, составляет 0,34 нм, а для волосковых клеток млекопитающих еще меньше - около 0,1 нм. Исследования улитки лягушки показали, что мембранный потенциал при смещении волосков в сторону киноци- 234 Биофизика лии изменяется от -6 0 до —40 мВ. При отклонении стереоцилий в противоположную сторону возникает обратная реакция - гиперпо ляризация (от -6 0 до -6 5 мВ). Смещения стереоцилий в поперечном направлении по отношению к киноцилии реакций рецептора не вы зывают. Характерно, что, когда пучок волосков надолго перемещали в другое положение, скажем, на 1 мкм, значительного постоянного возбуждения рецептора не наблюдалось. Через десятые доли секун ды рецепторная клетка вновь становилась чувствительной к микро перемещениям волосков. Большой интерес исследователей вызывает расшифровка моле кулярных механизмов рецепции, происходящих в волосковой клетке, способной реагировать на стимулы с пикометровой амплитудой и частотой до 20 (даже 100) кГц. Одна из гипотез предполагает нали чие каналов для ионов, которые открываются и закрываются вследст. вие неупорядоченного теплового движения лежащих рядом молекул. Доля каналов, открытых в каждый момент времени, зависит от разни цы в энергетических уровнях открытых и закрытых каналов. Когда эта разница превышает среднюю кинетическую энергию столкнове ний с окружающими молекулами, каналы будут открываться редко, и наоборот, если исходный энергетический уровень открытых кана лов в апикальной мембране волосковой клетки высок, то большая часть каналов закрыта. При движении пучка волосков каким-то обра зом изменяется энергетическое соотношение между каналами и, на пример, число открытых ионных каналов быстро увеличивается под влиянием теплового движения соседних молекул. Уровень потенциала покоя волосковой клетки относительно межклеточной среды (перелимфы), находится в пределах от -5 0 до 70 мВ. Предполагают, что при перемещении пучка стереоцилий под действием звука происходит открывание мембранных ионных кана лов на апикальном полюсе волосковой клетки. Это доказывается тем, что в эксперименте зарегистрированы максимальные токи в среде около концов движущегося пучка. Входящий в волосковую клетку катионный ток вызывает деполяризацию ее мембраны, что и является рецепторным потенциалом (РП). Значение рецепторного потенциала зависит от интенсивности звука, и его амплитуда составляет пример но 10 мВ. Максимальная величина РП, зарегистрированного с помо Гпава 6. Сенсорные системы организма 235 щью микроэлектронной техники, составляет примерно 24 мВ. Со скоростью электромагнитной волны РП электротонически (с декре ментом) распределяется по плазмолемме волосковой клетки от ее апикального полюса к базальному. Там деполяризация приводит к высвобождению медиатора (определенное химическое вещество), поступающего далее через синаптическую щель на субсиноптическую мембрану, которая принадлежит чувствительному нервному окончанию, контактирующему с данной волосковой клеткой. Под действием медиатора на субсинаптической мембране возникает гене раторный потенциал (ГП). Он, как и РП, электротонически распро страняется на внесинаптические участки афферентных волокон, где вызывает образование ПД. В таком виде нервная импульсация на правляется в ЦНС по слуховому нерву. Следовательно, по механизму преобразования адекватного стимула (звука) в нервные импульсы слуховой рецептор является типичным представителем вторично-чувствующих рецепторов. Каждая волосковая клетка соединена с нервными окончания ми, при этом каждое волокно слухового нерва начинается от узкого ограниченного участка Кортиевого органа, в отдельных случаях, от одной волосковой клетки. Поскольку слуховые рецепторы, располо женные в том или ином месте базилярной мембраны, возбуждаются звуками определенных частот, каждая небольшая группа нервных во локон слухового нерва проводит импульсы в ответ на звуки преиму щественно одной частоты. Эта частота называется характерической частотой волокна. Если звук представляет собой сложные колеба ния, то в слуховом нерве активизируются все волокна, характерические частоты которых соответствуют гармоническому спектру слож ного звука. Следовательно, на уровне слуховых рецепторов звуки разлагаются в гармонический спектр. Длительность звукового сигна ла кодируется временем активации афферентных волокон, которые входят в состав слухового нерва. Костная проводимость звука осуществляется через кости че репа. Если поставить ножку звучащего камертона на темя или сосце видный отросток, то звук будет слышен даже при закрытом слухо вом проходе. Это связано с тем, что звуковые колебания хорошо проводятся костями черепа, передаются сразу на перилимфу верхне 236 Биофизика го и нижнего ходов улитки внутреннего уха, а затем - на эндолимфу слухового протока. Происходит колебание основной мембраны с волосковыми клетками, в результате чего они возбуждаются, и возник шие нервные импульсы в дальнейшем передаются к нейронам голов ного мозга. При исследованиях органов чувств стремятся установить сте пень отклонения получаемых при эксперименте данных от статисти чески установленных норм. Одним из основных физиологических понятий, используемых при подобных исследованиях, является по рог. Под ним обычно понимают ту минимальную величину раздра жителя, которая вызывает его ощущение как сигнала на фоне помех, Различают абсолютный и дифференциальный пороги чувствительно сти. Абсолютный порог чувствительности измеряется в абсолютных величинах раздражителя, который испытуемый ощущает на фоне внутренних шумов и помех. Минимальная разница между двумя раздражителями, действующими последовательно или параллельно, которая воспринимается испытуемым, носит название дифференци ального порога. При оценке состояния звукового анализатора иссле дуются как абсолютный, так и дифференциальный пороги. В зависимости от характера и степени повреждения слуха кри вая порога слышимости (рис. 6.21) обычно отклоняется вверх, а кри вая боли или не меняется, или иногда отклоняется вниз. Если кривая порога поврежденного слуха расположена выше диапазона речи, то человек перестанет понимать то, что ему говорят. Метод исследования абсолютных порогов восприятия пациен том звуковых тонов разных частот называется аудиометрией. При боры, предназначенные для проведения таких исследований, называ ются аудиометрами. Поскольку различие в порогах восприятия разных звуковых частот является важным показателем состояния звукового анализато ра, при аудиометрии изучают пороги для ряда «чистых тонов», т.е. восприятие звуков определенной частоты, создаваемых генератором чистых синусоидальных колебаний. В медицине этот метод называ ют моноуральной аудиометрией по чистым тонам. Её обычно прово дят в диапазоне частот от 100 до 8000 Гц. Исследуют пороги слуха для частот 125, 250, 500, 1000, 2000, 4000, 8000 Гц. 237 Глава 6. Сенсорные системы организма Р, Па 2-102 г 2-10 1 2 - I, Вт - м-2 L, Дб 102 Г 140 1 - 120 ю- 2 - 100 2 -1 0 -1 - 1СГ4 во 2-10"2 - ю-® 60 2-10-3 ю-® 40 - ю- 10 20 2-10-® - 1 0 -12 0 2-10"® - 10“14 -2 0 2-10 -4 Е, фон П о р о го в ы й /^ изофон ^ 31,5 125 500 2000 8000 Рис. 6.21. Контуры равных уровней громкости (кривые равных громкостей, изофоны) по оси абсцисс - частота звуковых тонов (/), по оси ординат слева приведены три шкалы с эквивалентными значениями уровня интенсивности (L), интенсивности (I) и звукового давления (р), справа -шкала уровня громкости (Е) и эта ж е шкала на уровне f = 1000 Гц Используются также аудиометры, в которых исследование слуха проводится не «чистыми» тонами, а акустическими колебания ми «шума», спектр которого находится в узкой полосе частот. 6.2.2. Методы и средства проведения аудиометрических исследований В физиологической акустике принято сопоставлять объектив ные (физические) и субъективные (психофизические) характеристи ки звука (табл. 6.1). Звук при распространении в среде представляет собой волны сгущения и разрежения ее частиц. В участках сгущения давление больше, чем в участках разрежения. Амплитуда периодических коле баний давления в среде, происходящих под действием распростра няющего звука, называют звуковым давлением р. Единицы его измере 238 Биофизика ния [Па] или [Н/м2]. Звуковым давлением определяется интенсивность звука, которая находится по формуле: 7=^1, 2 ср (6.16) где р - давление; с - скорость распространения звука в данной сре де; р - плотность среды [кг/м3]. Таблица 6.1 Сопоставление физических и психологических характеристик звука Психофизические характеристи ки звука Физические характеристики звука 1. Гармонический спектр (характеризуется суммой всех гармоник £ f]): 1. Акустический спектр: а) основной тон (высота); измеряется в мелах и барках; а) основная гармоника f0, Гц; б) обертоны (определяют тембр) б) высшие гармоники Г|, Гц 2. Интенсивность (плотность потока звуковой энергии) / [Вт/м2] 2. Громкость, измеряется в сонах Кроме того, интенсивность (вектор Умова) можно рассчитать по формуле: I = w • V, если известна w - объемная плотность энергии звука, т.е. энергия в единице объема среды (V), в которой звук рас пространяется. Величина Z = 2ср есть акустический импеданс среды. Для установления взаимосвязи между интенсивностью и гром костью вводятся еще две физические величины, которые характери зуют звук: уровень интенсивности (L) и уровень громкости (Е). Уровень интенсивности, или уровень звукового давления, определяется по формуле (8): L =k lg — , Iо (6.17) где 10 - эталонная интенсивность; I - интенсивность исследуемого звука, / 0 принимают равной 1 0 12 Вт/м2. Такая интенсивность чистого I пава 6. Сенсорные системы организма 239 юна частотой в 1 кГц установлена как средний порог слуховой чув ствительности для людей. Эта интенсивность соответствует звуково му давлению, равному 2 • 10'5 Па. При к = 1 единицей уровня интен сивности L служит бел [Б]. При £ = 1 0 единицей уровня интенсивности L служит децибел [дБ]. В медицине принято исполь зовать децибельную шкалу. Если / = 10-5 Вт/м2, то L = 0. Следовате льно, на частоте 1 кГц три величины р = 2 • 1 0 5 Па, и 1= 10“12 Вт/м2 и I. = 0 дБ - характеризуют один и тот же звук. При I > 10 величина L принимает положительно значение, а при 1< 10 имеем L < 0. Чем ме ньше величина L для порога слышимости, тем выше слуховая чувст вительность. Человек лучше всего слышит звуковые тоны частотой от 2 до 4 кГц. Уровень громкости (Е) - это выражение различий в восприятии человеком звуков разной частоты. Уровнем громкости звука данной частоты называют уровень интенсивности звукового тона частотой 1 кГц, громкость которого при сравнении на слух эквивалентна гром кости исследуемого звука. Единицы измерения Е — фон. Для звуков частотой 1 кГц численные значения Е и L совпадают: так, если первая из них L составляет 0 дБ, то Е = 0 фонов. Средний порог слухового восприятия у людей составляет примерно 4 фона. Болевые ощущения » ухе возникают под действием звуков, уровень громкости которых достигает примерно 130 фонов. Таким образом, все частоты звуковых тонов, которые слышит человек, ограничивается диапазоном от 16 Гц до 20 кГц. В этом частотном диапазоне уровень громкости всех слы шимых звуков лежит в пределах от 4 до 130 фонов. Громкость звука является психофизической (субъективной) ха рактеристикой. Она оценивается по шкале сонов. Для выражения громкости того или иного звука в сонах за эталон принимается зву ковой тон частотой 1 кГц при уровне интенсивности L = 40 дБ. Дав испытуемому послушать эталонный тон, исследователь предъявляет ему тестируемый звук. При этом он просит определить, во сколько раз тестируемый звук громче или тише эталонного. Так, например, громкость тестируемого звука, если испытуемый слышит в 2 раза громче эталонного тона, будет равен 2 сонам, а если он слышит тес тируемый звук в 2 раза тише эталонного, то громкость тестируемого звука составляет 0,5 сона. 240 Биофизика Задача исследования слуха сводится не только к установлению степени и причины его повреждения, но и к определению того, какой слуховой аппарат пригоден в конкретном случае. При использовании метода аудиометрии «чистого звука» сиг нал от электронного генератора электрических колебаний подается в наушники. Порог слышимости определяется так: врач увеличивает интенсивность звука на определенной частоте до тех пор, пока паци ент через наушники не уловит его и не просигнализирует об этом. Воспринятая интенсивность звука будет являться порогом возбужде ния слухового анализатора на данной частоте. При использовании наушников звуковые колебания через воздушную подушку между барабанной перепонкой и мембраной наушника непосредственно по падают во внутреннее ухо. Для исключения влияния внешних акус тических помех больного целесообразно помещать в звукоизолиро ванную камеру (сурдокамеру). Используется также метод исследования слуха, когда звуковые колебания с определенной частотой и интенсивностью подаются на сосцевидный отросток (кость позади уха). При этом звук передается черепной костью. Наличие акустической связи между ушами, осуще ствляемой через черепную кость, приводит к тому, что при обследо вании характеристик одного уха звуковые колебания попадают и в другое. Для уменьшения влияния такой перекрестной связи ухо, которое в данный момент не исследуется, «маскируется». В него по даются звуковые колебания определенной силы и хаотично изменяю щейся частоты («белый шум»). Для этой цели в состав аудиометра вводится специальный электронный шумовой генератор, который может подключаться к одному из двух наушников. В некоторых слу чаях порог чувствительности определяют при одновременном дейст вии сигнала и шума. В этом случае на ухо больного (исследуемое или противоположное - в зависимости от стоящей задачи) подается ши рокополосный шум с одинаковой интенсивностью на всех частотах и проводится определение «порогов чистых тонов». Большое значе ние имеет время «предъявления» звука. Оно обычно порядка 1-2 с. Оценка дифференциального порога выполняется чаще всего с помощью методики Люшера. При ее использовании ритмически с частотой два раза в секунду производится изменение интенсивно- I пава 6. Сенсорные системы организма 241 п и звука. Для этого используется соответствующий модулятор ин тенсивности колебаний. Устанавливается минимальное значение ам плитуды модуляции, которое испытуемый различает и отмечает как колебание постоянного уровня звука. Для большей объективизации результатов исследований слу хового анализатора иногда используется то обстоятельство, что электроэнцефалограмма обследуемого пациента меняется, если он подвергается звуковому возбуждению. Если пациент глухой, то электроэнцефалограмма ЭЭГ не меняется при воздействии на него туковыми импульсами. По изменению ЭЭГ можно сделать выводы о степени повреждения слуха. С помощью этого метода выявляются повреждения слуха у младенцев. Для диагностики ряда заболеваний исследуется явление вырав нивания громкости. При этом оцениваются субъективные ощущения, возникающие при воздействии звуковых колебаний разных интен сивностей. Так, например, считается установленным факт уменьше ния дифференциальных порогов при поражении звуковоспринимаю щего аппарата и их увеличение - при поражении центральных структур. Субъективность большинства результатов, получаемых в том числе с помощью различных технических средств, приводит к за труднениям с определением нормы и патологии. Поэтому точно при нятой полосы нормы для аудиограммы нет. Обычно считается нор мальным показатель отклонения от типовых принятых значений в ± (3-5) дБ. Используется также речевая аудиометрия. Целью ее является изучение восприятия речи, т.е. идентификация не изолированных сигналов, а потока раздражителей, в котором необходимо идентифи цировать и звуки, и слова, и фразы. При речевой аудиометрии выяс няются закономерности восприятия слов при изменениях уровня речи. Речевая аудиометрия осуществляется следующим способом. На магнитофон записывается словесная или слоговая таблица. Осо бенностями записи является то, что диктор отчетливо выговаривает слова и звуки и старается поддерживать постоянный уровень громко сти. Промежутки между читаемыми словами или слогами делаются 16 - 9X44 %А 100 80 60 40 20 20 40 60 80 100 Рис. 6.22. И зменения разборчивост и слов в зависимост и от уровня громкости речи такими, чтобы испытуемый успевал их спокойно записывать. Вместо диктора могут использоваться звукосинтезирующие устройства. При обследованиях обычно необходимо иметь записанными 3—4 таблицы (по 50 слов или слогов в каждой). Интенсивность звуковых сигналов устанавливают такой, что испытуемый начинает слышать неопреде ленные звуки. Этот уровень берется за порог обнаружения. При увеличении уровня звукового сигнала испытуемый начинает правильно опозна вать отдельные слова. Чем больше уровень звукового сигнала, тем выше процент правильно опознанных слов. По результатам повторных измерений при разных интенсивно стях звукового сигнала строится кривая изменения разборчивости слов (рис. 6.22). При отсутствии патологии 20-% разборчивость достигается при превышенииуровня интенсивности над порогом обнаружения на 17-20 дБ, 50-% разборчивость получается при превышении над поро гом обнаружения на 24-26 дБ, 80% - на 30-34 дБ, 100% - на 37 38 дБ. Кривая речевой аудиограммы многое говорит врачу о природе заболевания и возможностях его лечения. С ее помощьюможно оце нивать эффективность подбора слухового аппарата. Существует достаточно большое количество различных аудио метров. Среди них можно выделить: I пава 6. Сенсорные системы организма 243 - клинические аудиометры - приборы, обеспечивающие высо кую точность измерений, генерирующие проверочные сигналы в ши рокой полосе частот, в широком динамическом диапазоне со многи ми градациями интенсивности; - проверочные аудиометры - простые, переносные, дешевые приборы с более узкими функциональными возможностями. В клинических аудиометрах обычно генерируются звуковые колебания фиксированных частот: 125, 250, 500, 1000, 2000, 4000, К000 Гц. Переключение частот, как правило, ступенчатое. В простых проверочных аудиометрах обычно генерируются 3 -4 частоты (на пример, 500, 1 000, 2 000, 4 000 Гц). В клинических аудиометрах ин тенсивность звука в наушниках может быть изменена в пределах 110-120 дБ и 60 дБ при подаче сигнала на кости черепа. В провероч ных аудиометрах диапазон изменений интенсивности звука 0-60 дБ. 6 .2 .3 . Акустические поля Акустическое поле организма - динамическая система акустиче ских полей, генерируемых его органами и физиологическими система ми в процессе функционирования, а также при взаимодействии их с физико-химическими факторами внешней среды. Диапазон собстнснного акустического излучения ограничен со стороны длинных волн механическими колебаниями поверхности тела человека (0,01 Гц), а со стороны коротких волн ультразвуковым излучением. Низкочастотное излучение создается физиологическими процессами, сопровождающи мися колебаниями поверхности человеческого тела, и может быть за регистрировано контактными или бесконтактными методами. Однако его практически невозможно зафиксировать с помощью микрофонов (акустические волны от источников в глубине тела полностью отража ются от границы раздела «воздух-тело человека»). В организме существуют следующие источники акустических ноли (в основном звукового диапазона). 1. Сердце и сердечно-сосудистая система. Акустическое давле ние, развиваемое сердцем на поверхности тела, составляет 0,1 Н м-2 и низкочастотной области звукового диапазона и 10“'-10“2Н • м~2 и высокочастотной. 16* 244 Биофизика 2. Система органов дыхания. 3. Пищеварительный тракт. 4. Суставы опорно-двигательного аппарата. 5. Сердечно-сосудистая система плода. 6. Излучение из уха человека —кохлеарная акустическая эмис сия (103 Гц). 7. Неоднородности структуры, на которых возникают комби национные звуки, - результат взаимоналожения акустических волн, генерируемых указанными ранее источниками. Из уха животных и человека могут излучаться звуки - это яв ление называют кохлеарной акустической эмиссией (КАЭ), посколь ку их источник локализован в улитке органа слуха. Эти звуки можно зарегистрировать микрофоном, расположенном в ушном канале. Об наружен ряд видов КАЭ, среди которых выделяют спонтанную эмисс'ию и акустическое эхо. Спонтанная эмиссия - это самопроизвольное непрерывное из лучение звука из уха человека. Уровень интенсивности звукового давления достигает 20 дБ, что в 10 раз выше порогового значения 2 • 10-5 Па, которое способно воспринимать ухо человека на частоте 1 кГц. Частоты эмиссии у различных лиц отличаются и лежат в диа пазоне 0,5-5 кГц. Кохлеарная акустическая эмиссия связана с деятельностью волосковых клеток, расположенных в кортиевом органе улитки. В от вет на приходящую звуковую волну они изменяют свои размеры и вызывают во внутреннем ухе механические колебания, которые способны выходить наружу через среднее ухо. Биофизический меха низм изменения геометрии пока не ясен, его быстродействие в 100 раз выше, чем у мышц. Из всех видов КАЭ применение в медицине нашло явление акустического эха - излучения звуков из уха спустя некоторое время после подачи в ухо короткого звукового сигнала. Оно используется для диагностики слуха новорожденных в первые несколько дней жизни, когда невозможно использовать обычные ме тоды аудиометрии. Отсутствие эха является тревожным симптомом не только глухоты, но и зачастую сопряженных с ней поражений других отделов нервной системы. Ранняя диагностика позволяет уже I пава 6. Сенсорные системы организма 245 с первых дней принять меры и в значительной степени ослабить не благоприятные последствия этого недуга. Акустические поля сердечно-сосудистой системы. Во время работы сердца в результате ритмических движений клапанного аппа рата, сокращения сердечных мышц и гидравлических факторов внутрисердечной динамики возникают колебательные движения, кото рые распространяются через окружающие ткани к поверхности грудной клетки. В процессе распространения через негомогенную среду с раз ными акустическими свойствами существенно меняются характери стики и параметры исходного звука. Законы распространения звуко вых волн от места их генерации до органа восприятия зависят от свойств источника и окружающей его внешней среды. Одним из су щественных источников акустических колебаний является турбулен тное движение кровяной струи. При этом параметры звука зависят как от скорости кровотока, так и от неровностей поверхности и выра женных изменений размеров «камер», через которые струя протека ет. Последние два фактора считают более важными. Все звуковые явления, связанные с сердечной деятельностью, с физической точки зрения являются шумами, которые возникают в определенные моменты времени и различаются продолжительно стью. Звуки, характеризующие работу сердца, в норме представляют собой короткие по длительности шумы. Патологические шумы длят ся значительно дольше (табл. 6.2). Так, на нормальной фонокардиограмме различают четыре гона, которые обозначают I, II, III и IV (рис. 6.23). I и II тоны возни- Рис. 6.23. Нормальная фонокардиограмма 246 Биофизика кают в фазе систолы сердца. Они обычно хорошо воспринимаются при аускультации сердца и называются нормальными систолически ми тонами, III и IV тоны возникают в фазе диастолы и называются нормальными диастолическими тонами. Таблица 6.2 Частотный спектр тонов различного генеза f, Гц Механизмы генерации тонов сердца Min Мах Сокращение и расслабление миокарда желудочков 12.5 20 Вибрация крови при быстром диастолическом наполнении желудочков 31,5 63 Открытие и закрытие полулунных клапанов 80 100 Открытие и закрытие створчатых клапанов 125 160 Вибрации сухожильных нитей при их натяжении 200 400 Тон I возникает в начале систолы желудочков и кончается к моменту начала изгнания крови. Его условно разделяют на 3 (1,2, 3) или 5 участков. Первая часть (1) состоит из колебаний низкой час тоты, характеризующих напряжения в миокарде, в стенках желудоч ков и створках клапанов. Эти колебания длятся 0,02-0,04 с. Вторая часть (2) представляет собой высокочастотные колебания и длится 0,05 с. Предполагается, что эти звуки имеют клапанное происхожде ние. Третья часть (3) состоит из низкочастотных колебаний длитель ностью 0,02-0,04 с. Она имеет сосудистое происхождение. Интен сивность I тона характеризует сократительные функции миокарда левого желудочка. II тон возникает к концу систолы желудочков и длится в тече ние их изометрического расслабления. Начальная низкочастотная часть (1) предшествует закрытию клапанов. Центральная высокочас тотная часть (2) отражает закрытие клапанов аорты и легочной арте рии. Конечная низкочастотная часть (3) отражает открытие трех створчатого и митрального клапанов. III и IV тоны плохо слышны, являются низкочастотными (1050) Гц и могут быть зарегистрированы не всегда. 247 I пава 6. Сенсорные системы организма III тон возникает в начале быстрого пассивного наполнения желудочков кровью. Он содержит одно или два небольших коле бания. IV тон возникает в фазе быстрого активного наполнения желу дочков. По параметрам он аналогичен звуку III тона. Акустическая эмиссия клеточных и молекулярных структур. Па клеточном уровне обнаружено существование упругих волн и нервном волокне. Процесс распространения нервного импульса со провождается пульсацией поверхности нервного волокна до 30 нм но амплитуде при частоте следования импульсов 4 Гц. При прохож дении нервного импульса по аксону краба наблюдаются поперечные упругие волны. Скорость проведения нервных импульсов (1 100 м • с-1) одного порядка по величине со скоростью упругих попе речных волн (1-20 м • с'1) частотой 2 кГц, распространяющихся магаровых стержнях. Существование клеточных и молекулярных источников упру гих волн предполагается, но еще не доказано экспериментально. Счи- 10 5 t, с 6) Рис. 6.24. Акустическая эмиссия N в диапазоне 30 -8 0 0 кГц при реакции замещения FeCl2 + C uS04 СиС12 + F eS 0 4 (а) и при окислительно-восстановительной реакции AI + C aS 04 Са + Al2(S04) 3 (б) (начало реакции по истечении 1 с) 248 Биофизика тают, что хорошо наблюдаемые периодические колебания объемов клеток, митохондрий, ядер, макромолекул белков могут приводить к генерации акустических волн в среде. Предварительная теоретиче ская оценка дает следующие диапазоны излучений: для ферментов от 10 3 до 3 • 106 Гц, для эритроцитов человека - от 0,2 до 30 Гц. Акустическое излучение (или иначе - акустическая эмиссия) обнаружена при некоторых химических реакциях, процессах измене ния концентраций вещества в жидкости, кристаллизации и плавле нии веществ, прохождении ионизирующих частиц через жидкие сре ды (рис. 6.24). 6 .3 . Биофизика зрения 6.3.1 . Светопреломляющая система глаза Органом зрения принято называть глаз. Однако в зрительную сенсорную систему (зрительный анализатор) вместе с фоторецепто рами (палочками и колбочками) и рядом нейронов, которые находят ся в сетчатой оболочке глаза, входят определенные отделы ЦНС. Восприятие света есть один из наиболее важных для жизни факторов, очень нужных для получения информации об окружаю щем мире как для защиты, так и для продолжения рода, питания и других процессов жизнедеятельности. Для анализа окружающего распределения светового поля почти для всех живых организмом в ходе э в о л ю ц и и был выработан весьма совершенный вид рецеп ции - фоторецепция. Свет является непревзойденным носителем ин формации, которая может быть заключена в интенсивности, частоте, поляризации, фазе, спектральном составе, во временной и простран ственной структурах светового потока. Процесс зрительного воспри ятия состоит из 3 этапов: - образование оптического изображения на сетчатке глаза; - преобразование оптического изображения в нервные импульсы; - передача и обработка сигналов зрительными нейронами цен тральной части зрительного анализатора. Глаз включает не только фоторецепторы и нейроны, но также разнообразные вспомогательные элементы. Они сами не воспринима- I ппва 6. Сенсорные системы организма 249 Рис. 6.25. Схема горизонтального разреза глаза человека 1 -рого ви ц а ; 2 —хрусталик; 3 —стекловидное тело, камерная влага; 4 - сетчатка; 5 - центральная ямка ж елтого пятна; б —зрительный нерв; 7 - сосудистая оболочка; S - склера; О О' - главная оптическая ось; К К' - зрительная ось; у ~ 5° - угол м еж ду ОО' и К К' ю г свет и не участвуют в переработке (передаче) сигналов от фоторе цепторов, но способствуют восприятию света. Важнейшим вспомога1слы1ым аппаратом фоторецепции являемся светопреломляющая диоптрическая система глаза. Упрощенная схема глаза человека в раз резе показана на рис. 6.25. Глазное яблоко представляет собой шарообразное тело диа метром около 24 мм с довольно прочной внешней оболочкой - скле рой (см. рис. 6.25). Передняя часть склеры (роговица) прозрачна, ее радиус кривизны около 7,7 мм, показатель преломления света п = 1,376, под роговицей находится передняя камера, которая заполне на прозрачной жидкостью с и = 1,336. Радужная оболочка располо жена перед хрусталиком и имеет диафрагму (зрачок), диаметр кото рой может меняться от 2 до 8 мм. Хрусталик с п = 1,386 представляет собой линзу, радиус кривизны которой может изменяться большим или меньшим напряжением цилиарной мышцы. Стекловидное тело или задняя камера имеет п = 1,336. Сопоставление показателей преиомления элементов оптической системы глаза позволяет говорить о достаточно хорошем их согласовании. 250 Биофизика Светопреломляющая система глаза фокусирует изображение окружающего мира на сетчатой оболочке (сетчатке), в которой рас положены фоторецепторы. Диоптрический аппарат глаза подобен сильной собирающей линзе, и при рассмотрении далеких предметом сводит в точку на сетчатке входящие в глаз параллельные лучи, т.с. действует наподобие объектива зрительной трубы Фокусированные изображения осуществляются за счет преломляющей системы гла за, к которой относятся: роговица, хрусталик, камерная влага, стек ловидное тело. Преломляя световые лучи, они обеспечивают фор мирование на сетчатке действительного уменьшенного и обратного (перевернутого) изображения рассматриваемого предмета. Отрезок прямой, проходящий через геометрические центры роговицы и хру сталика, называют главной оптической осью глаза (0 0 '). Она объе диняет весь его диоптрический аппарат в центрированную светопрс ломляющую систему. Центрированной называют такую систему светопреломляющих поверхностей, геометрические центры которых лежат на одной прямой. Глаз представляет собой саморегулирующуюся систему, ее оп тические недостатки в значительной мере компенсируются регуля торными механизмами, оптимизирующими работу глаза. Важнейши ми механизмами регулирования являются система фокусировки изображения на сетчатке и механизм регуляции количества света, попадающего на сетчатку. Фокусировка осуществляется путем авто матического изменения радиуса кривизны хрусталика. Этот эффект называется аккомодацией. Система аккомодации представляет собой следящую систему, которая удерживает в фокусе изображение уда ляющегося или приближающегося объекта. Управление осуществля ется цилиарной мышцей. Количество света регулируется изменени ем размеров оптического отверстия - зрачка, причем освещенность сетчатки изменяется пропорционально квадрату диаметра зрачка, Диаметр зрачка регулируется двумя мышцами-антагонистами: коль цевая (сфинктер) сужает зрачок, а радиальная (дилататор) его рас ширяет. Системы работают по принципу получения сигнала ошибки между формируемым сигналом и некоторым эталонным (требуемым или оптимальным). Система регуляции состоит из регулятора и объ екта управления и содержит контур отрицательной обратной связи. I пава 6. Сенсорные, системы организма 251 Моделью светопреломляющего аппарата органа зрения служит гак называемый приведенный редуцированный глаз. Редукция означа ет упрощение, т.е. сведение сложного к простому, более доступному для анализа. Физическим аналогом приведенного редуцированного глаза является стеклянная линза, которая одной поверхностью кон тактирует с воздухом, а другой - с жидкостью, обладающей п = 1,336. Первая поверхность линзы направлена в пространство предме тов, а другая - к пространству изображений. Диоптрический аппарат глаза не поддается точному математи ческому описанию. Это происходит из-за того, что глаза разных лю дей сильно различаются, а также из-за подвижности хрусталика и по ряду других причин. Так, например, главная оптическая ось глаза че ловека проводится довольно приблизительно. Она не совпадает со зрительной осью КК1, которая проходит через геометрические цент ры роговицы и желтого пятна сетчатки. В направлении зрительной оси глаз имеет наилучшую разрешающую способность. Угол между главной оптической осью 0 0 ' и зрительной осью КК', как правило, не превышает 5 градусов. Он обозначается у и обычно учитывается н офтальмологии при назначении очков. Итак, человеческий глаз можно рассматривать в качестве цент рированной преломляющей системы весьма условно. На рис. 6.26 Рис. 6.26. Глаз как центрированная светопреломляющая система F/ и Г ] - передний и задний фокусы соответственно, H t u Н2 - передняя и задняя главные тонки, N/ и N2 - передняя и задняя узловые точки, / ) - расстояние от передней главной точки Hi до переднего фокуса Ft, f 2 - расстояние от задней главной точки Н2 до заднего фокуса F2 252 Биофизике приведена количественная характеристика одной из наиболее адек ватных физических моделей человеческого глаза. Из рис. 6.26 видно, что расстояние между Я, и Я 2 составляет примерно 0,25 мм. Столь близкое расстояние допускает замену двух главных плоскостей (Я, и Я 2) на одну главную плоскость. Точки Я, и N2 практически также совпадают в единую узловую точку глаза, ее называют оптическим центром глаза (между Я, и Я2). В замене каждой из названных пар кардинальных точек на единые угловую и узловую точки и состоит смысл редукции цен трированной диоптрической системы реального глаза. В схеме Гульстранда единая плоскость Я и единая узловая точка Я нахо дятся на расстоянии 1,6 мм и 7,5 мм соответственно от передней поверхности роговицы. Все расстояния, кроме фокусных (fu f 2), от считываются от передней поверхности роговицы. По ходу лучей внутрь глаза эти расстояния имеют знак «+». В противоположном (наружном) направлении расстояния имеют знак «-». Числа, ха рактеризующие расстояние единых главной и узловой точек глаза, необходимы для расчета диоптрического аппарата человеческого глаза. За эту работу Альвар Гульстранд был удостоен Нобелевской премии в 1911 г. 6 .3 .2 . Биофизический механизм восприятия света рецепторами Свет, попавший в глаз, фокусируется при помощи хрусталика на светочувствительных клетках сетчатки - палочках и колбочках. У человека в сетчатке имеется около 6-7 млн колбочек и ПО125 млн палочек. Палочки и колбочки распределены в сетчатке не равномерно. Центральная ямка сетчатки содержит только колбочки (до 140 тыс. на 1 мм2). По направлению к периферии сетчатки коли чество колбочек уменьшается, а палочек соответственно возрастает. Периферическая часть сетчатки содержит только палочки. Участок сетчатки глаза, где сосредоточены только колбочки, называется жел тым пятном. Место выхода зрительного нерва из глазного яблока диск зрительного нерва - совсем не содержит фоторецепторов. Это так называемое слепое пятно (рис. 6.27). I пцва 6. Сенсорные системы организма 253 полностью транс-ретиналь Рис. 6.27. Структура органа зрения 1 -р а з р е з глаза; 2 - колбочки; 3 - палочки (М - скопление митохондрий); 4 - диск наружного сегмента палочки; 5 - фрагмент мембраны диска со встроенной в нее молекулой родопсина; 6 - хромофорная группировка родопсина - ретиналь: а - 11-цис-ретиналь, б - полностью транс-ретиналь Колбочки обеспечивают дневное зрение и восприятие цвета, палочки - сумеречное, ночное зрение. Строение сетчатки человека и позвоночных животных может показаться парадоксальным, так как светочувствительные клетки находятся в заднем слое сетчатки. Прежде чем свет попадет на них, он должен пройти через несколько слоев различных клеток сетчат ки. Кроме того, сами палочки и колбочки ориентированы к свету своим внутренним сегментом, не содержащим зрительного пигмен та (рис. 6.28). Однако такая организация не снижает существенно чувствительности глаза к свету, так как клетки прозрачны для види мого света. 254 Биофизика Абсолютный порог чувствительности зрения человека (т.е. минимальная еще обнаруживаемая величина яркости светового пят на при отсутствии светового фона и в условиях полной темновой адаптации) равен 2,1-5,7 ■10-17 Дж на поверхности роговицы глаза, что соответствует 58-148 квантам сине-зеленого света. Из них толь ко 5-15 квантов поглощаются молекулами зрительного пигмента в палочках сетчатки, а остальные «теряются». По данным некоторых исследователей, например Пинегина, для того чтобы вызвать ощуще ние света у человека, достаточно, чтобы фоторецепторов достигли 2 фотона. Отдельная палочка возбуждается всего одним квантом све та - в связи с этим С.И. Вавилов утверждал, что глаз в своей чувстви тельности к свету «достиг физического предела». Диаметр палочки составляет примерно 2 мкм, а длина - при мерно 50-60 мкм. Длина наружного сегмента (НС) лежит в пределах примерно 20-30 мкм. Вся цитоплазма НС заполнена своеобразными брганеллами, которые называют дисками. Промежутки между ними не превышают 15 нм. В НС каждой палочки содержится от 700 до 1000 дисков, которые напоминают собой сплющенные воздушные шары, сложенные в стопку. Диаметр каждого диска почти соответст вует диаметру наружного слоя (~ 2 мкм), а толщина диска составляет 15-18 нм. Его внутреннее пространство представляет собой узкую щель шириной около 1 нм. Эта щель расширяется до нескольких на нометров у краев диска. Таким образом, на внутридисковое содержи мое вместе с цитозолем приходится не более половины объема НС, а другую половину занимают мембраны дисков. Следовательно, на ружный сегмент буквально нафарширован мембранами, и именно в них осуществляется первичный процесс восприятия света. Поэтому мембрану дисков называют фоторецепторной мембраной. Молекулярная организация фоторецепторной мембраны у по звоночных и беспозвоночных животных практически одинакова. По добно всем биомембранам, она состоит из липидов и белков (протеи нов). Вместе с тем ей присущи две кардинальные особенности. Во-первых, ее основным белковым компонентом является зритель ный пигмент - хромогликопротеид родопсин. Его концентрация дос тигает 90% общего содержания протеинов в фоторецепторной мем бране. Во-вторых, более 40% жирокислотного состава фосфолипидов, Глава 6. Сенсорные системы организма 255 Пигментный эпителий Палочка Колбочка Горизонтальная клетка Биполярная клетка Амакриновая клетка Ганглиозная клетка t t Падающий свет t Рис. 6.28. Строение сетчатки образующих её, приходится на полиненасыщенную докозагексаенопую кислоту, в составе которой 22 атома углерода. Среди связей меж ду ними 6 двойных. Кроме нее, в состав мембранных фосфолипидов входят и другие полиненасыщенные длинноцепочечные жирные ки слоты, содержащие от 1 до 4 двойных связей. Вместе они составляют более половины всех жирнокислотных остатков. Высокая степень не насыщенное™ жирнокислотных «хвостов» фосфолипидных молекул придает гидрофобному бимолекулярному каркасу фоторецепторной мембраны необычайно высокую подвижность, вследствие чего дан ная мембрана обладает малой вязкостью по сравнению с другими мембранами. 256 Биофизики Первичный механизм возбуждения палочки светом связан со сложными превращениями родопсина в фоторецепторной мембране Родопсин - это высокомолекулярное соединение, состоящее из двух основных компонентов: альдегида витамина а (ретиналя) и липопро теина под названием опсин (белок глаза). Спектр поглощения родо псина показан на рис. 6.29. Спектр поглощения родопсина хорошо приспособлен к воспри ятию света в достаточно широкой области солнечного излучения, но лучше всего этот зрительный пигмент поглощает видимый свет в зс леной части этого спектра (500 нм). Красные и синие лучи он отража ет, причем в отраженном свете преобладает красный компонент, хотя присутствует и синий. Поэтому пигмент имеет пурпурный цвет, опрс деливший и его название. Родопсин относится к наиболее интенсивно окрашенным соединениям из всех известных в настоящее время в ор ганической химиии. Степень поглощения фотонов родопсином близ ка к теоретически возможному значению. В темноте ретиналь пребывает в 11-цис-форме, для которой ха рактерна некоторая скрученность молекулы. Скрученность объясня ется тем, что в планарной форме между близко расположенными метальной группойу углерода (С13) и водородом у углерода (СЮ) воз пикает сильное отталкивание. Сила отталкивания не допускает плоско го расположения я-связи. Скрученность в молекуле 11-цис-ретиналя обеспечивает наибольш ую энергию взаимодействия с опсином, вследствие чего комплекс ретиналя и опсина весьма устойчив. Для Рис. 6.29. Спектр поглощения родопсина По оси абсцисс —длина волны (к); по оси ординат —оптическая плотность (D) I пава 6. Сенсорные системы организма 257 сю разрушения необходимо преобразовать 11-цис-ретиналь в дру гой изомер: в так называемый полностью транс-ретиналь. Такое преобразование из цис- в транс-ретиналь происходит под дейстинем света. Этот процесс называется фотоизомеризацией (рис. 6.27, а, б). При поглощении фотона (Av) молекула родопсина претерпева ет электронный переход «л -> л*», при этом молекула родопсина оказывается в синглетном возбужденном состоянии. Необходимо от мстить, что в органических молекулах л-орбитали, которые свойст венны основному энергетическому состоянию, являются связываю щими, т.е. они стремятся к перекрытию и образованию двойной связи. Напротив, л'-орбитали, характерные для возбужденного со стояния молекулы, относятся к разрыхляющим орбиталям. Их пере крытие энергетически невыгодно. В силу этого части молекулы, сое диненные двойной связью с участием л*-орбитали, разворачиваются на 90°, и двойная связь превращается в ординарную. Поэтому в моле куле региналя, возбужденной светом, происходит разворот атомов вокруг двойной связи. Такое измененние пространственного распо ложения атомов, входящих в состав ретиналя, требует затрат энер гии. Эти энергозатраты характеризуются преодолением потенциаль ного барьера. Для разворота атома вокруг двойной связи в 11цис-ретипале достаточно энергии одного фотона. Для фотоизомерилации достаточно и времени, в течение которого молекула родопсина пребывает в сигнетном возбужденном состоянии (~10~9 с), поскольку цис-тран-изомсризация ретииаля происходит всего за 0,1-0,3 пс, квантовый выход фотоизомеризации 11-цис-ретиналя в родопсине достигает 0,7. Фотоизомеризация - первая и единственная фотохимическая реакция в зрительном акте. Она протекает внутри отдельной молеку лы родопсина и, в отличие от фотосинтеза, не сопровождается ника кими химическими реакциями. Зрение отличается от фотосинтеза, который происходит в растениях, еще и тем, что между молекулами родопсина невозможен перенос энергии, так как в фоторецепторной мембране молекулы родопсина удалены друг от друга на расстояние около 7 нм. Непосредственным следствием фотоизомеризации, при17 - 9844 258 Биофизика водящей к появлению у человека ощущения света, служат конформационные перестройки молекулы родопсина. Дело в том, что про странственно 11-цис-ретиналь точно соответствует конфигурации активного центра на опсине. При образовании транс-ретиналя это со ответствие (комплементарность) нарушается, в результате чего ретиналь отщепляется от опсина и родопсин обесцвечивается, т.е. претер певает фотолиз. Распавшийся родопсин восстанавливается, когда на него пре кращает действовать свет. В ходе восстановления транс-ретиналь пре образуется в цис-форму. Такой переход, обратный фотоизомеризации, называется реизомеризацией. У позвоночных животных транс-рети наль, отщепившись от опсина, поступает в пигментный эпителий сетчатки, где подвергается ферментативным превращениям в 11— цис-ретиналь, который возвращается из пигментного эпителия к фо торецепторам. Каждая палочка ежесуточно синтезирует (8-9) • 105мо лекул родопсина из поступающего в нее 11-цис-ретиналя, который со единяется с опсином. Суточный синтез этого зрительного пигмента в целом оценивается величиной примерно ~ 2 • 1014молекул. Конформационная перестройка родопсина, называющаяся фо тоизомеризацией ретиналя, довольно существенна. Естественно, что перестройку сопровождают значительные изменения физико-хими ческих свойств фоторецепторной мембраны, в которую встроен ро допсин. Одним из важных последствий этих изменений служит сдвиг мембранного потенциала фоторецепторной клетки. 6 .3 .3 . Рецепторные потенциалы Сдвиг мембранного потенциала фоторецепторной клетки, ко торый принято называть рецепторным потенциалом, происходит на ее плазмолемме, тогда как фотоизомеризация родопсина совершает ся преимущественно во внутриклеточных мембранах, т.е. в мембран ных дисках, находящихся в наружном сегменте. Свойства фоторецепторных мембран изменяются одновремен но с конформационной перестройкой в них опсина. Через 1,5-2 мс после поглощения кванта света наблюдается гиперполяризация плазмолеммы фоторецепторной клетки. Следовательно, в палочке (и кол Гпава 6. Сенсорные системы организма 259 бочке) существует механизм передачи сигнала с фоторецепторных мембран дисков на плазмолемму. В передаче участвует так называе мый внутриклеточный посредник. Первоначальная гипотеза относи тельно природы этого посредника отводила его роль ионам Са. Со гласно «кальциевой гипотезе» в ответ на действие света ионы Са выбрасываются изнутри фоторецепторных дисков в цитоплазму на ружного сегмента, диффундируют к плазматической мембране л блокируют в ней Ка+-каналы. В темноте же Са2+ активно «закачива ется» из цитоплазмы снова внутрь дисков. Однако опыты Фесенко (1985 г.) показали, что проводимость наружной мембраны палочки не изменяется под действием Са2+, который, следовательно, не явля ется клеточным медиатором в процессе зрительной рецепции. В то же время оказалось, что циклический нуклеотид цГМФ (3', 5' - цик лический гуанозин-монофосфат) способен непосредственно откры вать натриевые каналы мембраны палочек. В темно-адаптированном рецепторе концентрация цГМФ в цитоплазме наружного сегмента весьма велика, поэтому очевидно, что циклический нуклеотид цГМФ в темноте поддерживает Na^-каналы в открытом состоянии. Если происходит гидролиз цГМФ (под действием фермента фосфодиэстеразы ФДЕ), то концентрация цГМФ резко падает, а натриевые кана лы переходят в закрытое состояние. Именно на этом основана роль цГМФ как клеточного медиато ра. Изменение его концентрации в наружном сегменте регулирует состояние Ыа+-каналов внешней мембраны и, как следствие, величи ну трансмембранного электрического потенциала палочки. Между световым возбуждением родопсина и гидролизом цГМФ фосфодиэсгеразой существует сложная многоступенчатая функциональная связь, природа которой установлена в конце 30-х годов благодаря работам целого ряда лабораторий. Было показано, что на свету в на ружном сегменте действительно резко уменьшается уровень цГМФ мри одновременной активации нескольких сот молекул фермента ФДЕ. Для этого требуется присутствие также ГТФ (гуанозинтрифосфат), как источника энергии. Фактором, связывающим ГТФ в клет ке, является особый G-белок трансдуцин Т, ответственный за акти вацию ФДЕ. Молекула трансдуцина состоит из трех субъединиц а, P. Y (Та, Р, у). 17* 260 Биофизика Трансдуцин может также связывать ГДФ (гуанозиндифосфат), но в этом состоянии он не способен активировать ФДЕ. Переход трансдуцина в активное состояние из неактивного происходит при обмене ГДФ на ГТФ, а именно Т-ГДФ + ГТФ -> Т-ГТФ + ГДФ. В образованном комплексе Та, р, у -ГТФ отщепляется актив ная а - субъединица трансдуцина Т а и связанная с ней молекула ГТФ. Отделенный от Та, Р, у комплекс Т-ГТФ в свою очередь акти вирует фермент ФДЕ. Активация ФДЕ также основана на разной функциональной роли субъединиц а, Р, у, входящих в состав молеку лы фермента, из которых у-субъединица подавляет активность ФДЕ. Именно отщепление у-субъединицы, ингибирующей фермент, при водит его в активное состояние. Сложная последовательность реакций запускается при фото изомеризации ретиналя в родопсине и переводе родопсина R в акти вированное состояние R*. Активированный родопсин мигрирует латерально в фоторецепторной мембране, обладающей крайне низкой вязкостью, и образует комплекс с трансдуцином R* + Т-ГДФ —> R* - Т-ГДФ, в которой затем ГДФ замещается на ГТФ R* - Та>р, у-ГДФ + ГТФ -» R* - Та, р>У-ГТФ + ГДФ, с последующей его диссоциацией R* - Та, р_?-ГТФ —> R* + Тр г + Та-ГТФ. Фрагмент Т-ГТФ активирует «отбирая» у нее у-субъединицу непосредственно ФДЕ, Та-ГДФ + ФДЕ(а, р, у) -> ФДЕ(а, Р) + Та-ГДО^ФДЕу. Последовательность этих событий представлена на рис. 6.30. / пава 6. Сенсорные системы организма 261 Рис. 6.30. Каскад реакций, лежащих в основе зрительной рецепции I - поглощение кванта света активирует родопсин R*. который затем реагирует с белком-трансдуцином Т; II - происходит замена ГДФ на ГТФ в а-субъединице Та трансдуцина; III - отщепленная Та-ГТФ активирует фосфодиэстеразу ФДЕ, отщепляя ее у-субъединицу; I V - активированная ФДЕ гидролизует тысячи молекул цГМФ. Через некоторое время ГТФ в а-субъединице Та расщепляется н превращается в ГДФ, Та-ГДФ присоединяется к 7]3у. Трансдуцин и ФДЕ восста навливаются. Родопсин R* инактивируется и регенерирует в исходное состояние Центральное место в этом каскаде реакций занимает стадия IV (рис. 6.30), где возникает эффект многократного усиления действия кванта света за счет того, что одна активная молекула ФДЕ (а, Р) гидролизует тысячи молекул цГМФ. Регенерация активированного родопсина R* осуществляется и ходе последовательных реакций его фосфорилирования родоп син-киназой РК с образованием R-пФ , где п - число фосфатных групп (п ~ 9). R*-пФ связывается с белком S, образуя комплекс R *пФ • S. В этом состоянии уже не происходит дальнейшая активация (7-белка трансдуцина родопсином, который релаксирует из активи 262 Биофизика рованного состояния R * -n 0 5 —» R°-nOS. Окончательная репарация родопсина осуществляется через ~ 30 минут после его дефосфорилирования (фосфатазой) и присоединения новой молекулы 11-цис-ретиналя взамен покинувшего родопсин транс-ретиналя. Вследствие конформационной перестройки молекул родопси на, в фоторецепторной мембране изменяется содержание внутрикле точного посредника в цитозоле наружного сегмента фоторецептор ной клетки. Это приводит к закрытию 100-300 натриевых каналов в плазмолемме наружного сегмента, которые в отсутствие светового раздражителя пребывали в открытом состоянии. Они обладают свой ствами потениалнезависимых ионных каналов и, будучи управляе мыми светом, получили название фотозависимых натриевых кана лов. Когда закрываются 100-300 каналов, электропроводность плазмолеммы наружного сегмента падает на 1-3%. Падение мем бранной электропроводности приводит к гиперполяризации фоторе цепторной клетки. Принято считать, что потенциал покоя фоторецеп торной клетки генерируется в темноте на плазмолемме внутреннего сегмента. В темноте потенциал покоя палочки (колбочки) составляет примерно от -2 0 до -4 0 мВ, хотя по расчету он по модулю должен быть примерно вдвое больше. Причина расхождений расчетной и измеряемой величин за ключается в том, что в системе генерации рецепторного потенциала плазмолемма наружного сегмента выполняет роль шунта с перемен ной электропроводностью. Электропроводность регулируется (управляется) светом при помощи фотозависимых натриевых кана лов. Когда все натриевые каналы плазматической мембраны наруж ного сегмента одной палочки оказываются заблокированными све том, удельное поверхностное сопротивление этой мембраны достигает величины =106Ом/см2. В темноте ионный ток, входящий через каналы в цитоплазму, довольно значителен и составляет при мерно 40 пА, а при освещении сетчатки он блокируется, при этом степень его ослабления зависит от интенсивности света. Чем слабее натриевый ток через плазматическую мембрану наружного сегмента, тем больше выражена гиперполяризация в фоторецепторной клетке. Изменение потенциала палочки или колбочки (U) во времени показа но на рис. 6.31. 263 Гпава 6. Сенсорные системы организма Рис. 6.31. Рецепторные потенциалы одиночной палочки, возникающие в ответ на короткие (Ю м е) вспышки света при трех разных интенсивностях света: I/, I2, 1з - интенсивность света; чем больше I, тем больше гиперполяризация, Ij > h > h При поглощении одного фотона (Av) гиперполяризация фото рецепторов разных представителей животного мира неодинакова. Так, в палочках сетчатки позвоночных животных гиперполяризация составляет десятки и сотни мкВ, тогда как в фоторецепторных клет ках членистоногих она достигает 10 мВ. Приведенные числа под тверждают положение об усилении сигнала в рецепторных аппара тах. Действительно, квант света, несущий энергию » 4 ■Ю~19 Дж, вызывает фотолиз только одной молекулы родопсина, что, в свою очередь, приводит к закрытию в плазмолемме фоторецепторной клетки позвоночных животных 100-300 натриевых каналов. Это при водит к образованию рецепторного потенциала, энергия которого на 3 порядка превосходит энергию вызвавшего его фотона. Амплитуда рецепторного потенциала (РП) возрастает при по вышении интенсивности света, падающего на сетчатку, причем в пределах 1 000-кратного изменения интенсивности эта зависимость имеет логарифмический характер: (6.18) л —1 264 Биофизика где к - коэффициент пропорциональности; 1п - интенсивность по следующего воздействия света; - интенсивность предыдущего воздействия света. При ярком освещении амплитуда рецепторного потенциала может достигать 25 мВ. Величина РП зависит также и от длины волны света. Фоторецепторные клетки в ответ па зеленый свет (X ~ - 500 нм) генерируют наибольший РП. Среди колбочек выделено 3 типа: 1) дает максимальный ответ РП на синий цвет; 2) дает макси мальный ответ РП на зеленый цвет; 3) дает максимальный ответ РГ1 на красный цвет. Использование микроэлектронной техники для изучения реак ции фоторецепторов на облучение светом позволило обнаружить де поляризацию фоторецепторов, при этом деполяризация предшествует гиперполяризации. Амплитуда деполяризации очень мала и составля ет примерно 0,1 мкВ. Учитывая временные соотношения де- и гипер поляризации, первую из них стали называть ранним, а вторую - позд ним РГ1 и обозначили соответственно, РРП и ПРП. Однако позднее установили, что РРП обусловлен перемещениями электрических ди полей в мембранах дисков наружного сегмента. Эти перемещения ди полей связаны с фотолизом молекул родопсина. Другими словами, РРП обусловлен током смещения в фоторецепторных мембранах и он не служит промежуточным звеном передачи сигналов к синаптиче ской зоне фоторецептора при действии света. В отличие от других ре цепторных аппаратов, где таким звеном служат деполяризационные сдвиги мембранного потенциала, в фоторецепторах эту функцию вы полняет гиперполяризация. Таким образом, только поздний РП явля ется истинным рецепторным потенциалом (в полном значении этого термина). РП, возникнув в наружном сегменте, распространяется к синап тической зоне палочки или колбочки по закону электротонической передачи (с декрементом). При этом постоянная длины плазмолеммы фо торецепторной клетки, по которой «движется» с затуханием волна гиперполяризации, достигает 10 мкм. Достигнув синаптической зоны, гиперполяризация изменяет свойства ее мембраны и инициирует медиаторную систему, обеспечивая передачу сигнала к биполярному нейрону. Химическая природа медиатора, выделяемого фоторецеп I пава 6. Сенсорные системы организма 265 торной клеткой, пока еще неизвестна точно, однако наиболее вероят ными кандидатами на эту роль признаются глутамат и аспартат. Обе аминокислоты обладают деполяризующим действием на постсинаптическую мембрану, но при облучении сетчатки светом биполярные нейроны испытывают гипреполяризацию. Принято считать, что фото рецепторной клетке в темноте свойствен определенный темп выделе ния деполяризующего медиатора (глутамата или аспартата), а гипер поляризация синаптической зоны при освещении замедляет темп выброса медиатора, вследствие чего постсинаптические мембраны, принадлежащие биполярным нейронам, не деполяризуются, а гипер поляр изуюгея. Гиперполяризационный сдвиг мембранного потенциа ла биполярного нейрона электротонически распространяется по его плазмолемме к синапсу на теле третьего нейрона, который также на ходится в сетчатке. Медиатор, поступающий от биполярного нейрона к ганглиозной (мультиполярной) клегке, вызывает ее деполяризацию. Деполяризационный сдвиг потенциала распределяется электротоничсски с тела по аксонам ганглиозной клетки. Плазматическая мембра на аксона ганглиозной клетки (аксолемма) обладает возбудимостью, благодаря чему там формируется потенициал действия, когда деполя ризация участка аксолеммы, в котором есть потениалзависимые ион ные каналы, достигает порогового уровня. Потенциалы действия, неся информацию от фоторецепторов, поступают в центральную нервную систему по волокнам зрительного нерва. Эти волокна пред ставляют собой аксоны ганглиозных клеток сетчатки. Схематически передача поздних рецепторных потенциалов по сетчатке показана на рис. 6.32. Зрительный нерв включает примерно 106 волокон. По этим во локнам в мозг направляются сигналы от 1,3 • 108 фоторецепторов. Следовательно, в среднем один аксон ганглиозной клетки собирает информацию от множества рецепторных клеток. Все фоторецепто ры, посылающие сигналы к одной ганглиозной клетке, составляют ее рецептивное поле. Рецептивное поле, образованное палочками, со держит гораздо больше фоторецепторов, чем колбочковое рецептор ное поле. Каждая колбочка, находящаяся в центральной ямке желто го пятна сетчатки, связана только с одной ганглиозной клеткой. Другими словами, рецептивное поле ганглиозной (мультиполярной) 266 Биофизика /= \ щ (гиперполяризация) Рецептор И (полочка) Электротоническое распространение Синаптические потенциалы (гиперполяризация) Биполярный нейрон Электротоническое распространение Синаптические потенциалы (деполяризация) Рис. 6.32. Схема передачи фоторецепторного сигнала по афферентному пути в пределах сетчатки Р П -рец еп т орн ы й потенциал; П Д - потенциал действия клетки включает только одну колбочку. С этим связана наилучшая разрешающая способность центрального колбочкового зрения. Дру гие ганглиозные клетки получают сигналы больше, чем от одного фоторецептора. Существуют такие ганглиозные клетки, каждая из которых собирает сигналы от сотен и даже тысяч палочек. Следова тельно, рецептивные поля сетчатки весьма разнообразны. 6 .3 .4 . Чувствительность и адаптация глаза Чувствительностью (Е) глаза называют величину, обратно про порциональную пороговому стимулу: (6 .1 9 ) Гпава 6. Сенсорные системы организма где 267 /„ - пороговая сила света. Чтобы пороговая сила света была минимальной, т.е. соответст вовала своему определению, используют мелькающий свет. После длительного пребывания в темноте (темновой адаптации) глаз чело века способен реагировать на единицы квантов света, что говорит об очень высокой чувствительности. Чувствительность уменьшается при увеличении освещенности. Минимальную чувствительность, на которую реагирует глаз, можно рассмотреть на примере наблюдения звезд. Звезды относятся к так называемым точечным источникам света, которые видны под очень малыми углами (малые доли секун ды). Когда наблюдатель смотрит на звезду, то площадь сетчатки, освещаемая падающим пучком света, определяется не угловым раз мером источника, а в основном дифракцией света на зрачке и оказы вается того же порядка, что и площадь, занимаемая одним фоторе цептором. Световой поток, который падает на эту площадь, определяется освещенностью, создаваемой звездой на зрачке наблю дателя. Эту освещенность принято называть блеском звезды. Мини мальная освещенность на зрачке (пороговый блеск), которую может заметить наблюдатель, зависит от ряда факторов, включая условия наблюдения, например яркость фона, а также от того, известно или пет местоположение источника света (в последнем случае пороговый блеск выше). В случае полной темноты пороговый блеск составляет примерно 1 нлк. Такой слабый источник света может быть замечен только периферическим зрением, т.е. палочковым аппаратом. Ноч ное небо не является совершенно черным фоном, поскольку в ясную безлунную ночь суммарная освещенность горизонтальной поверхно сти от звезд и неба составляет около 0,3 млк. Самая неяркая звезда, которую глаз замечает на этом фоне (звезда шестой величины), со здает блеск около 10 нлк, а яркие звезды (первой величины) - 1 млк. При освещенности до 3 лк работает палочковый аппарат, затем до 30 лк работают и палочковый, и колбочковый аппараты, а свет в 30 лк и более воспринимают колбочки. Учитывая, что при высоком стоянии и безоблачном небе солнечные лучи создают освещенность па плоскости, перпендикулярной к их падению, около 100 клк, мож но оценить реальный динамический диапазон воспринимаемых гла зом освещенностей. Он составляет 105/10~9 = 1014. Это весьма сущест 268 Биофизика венная величина, которая еще не достигнута в лучших технических устройствах. Воспринимать такой диапазон входных сигналов (освещенно стей) можно только с помощью системы адаптации - работы соответ ствующих регуляторных механизмов подстройки физиологических, биохимических, психологических и других факторов. Процессы темновой и световой адаптаций можно объяснить, рассматривая фотохи мические реакции родопсина. Покажем, что при темновой адаптации чувствительность глаза возрастает. Предположим, что глаз перехо дит от света к темноте, например, из освещенной комнаты в темную, и скорость изменения концентрации родопсина пропорциональна разности между его максимально возможной и текущей концентра циями: dCIdt = a(C0 - С), где С - концентрация родопсина в сетчатке глаза в текущий момент времени t; С0 - максимально возможная кон. центрация родопсина; a - коэффициент пропорциональности. Учитывая, что при / —» оо, т.е. при длительном нахождении в темноте, С = С0, а при t= 0 концентрация родопсина С, определяет ся освещенностью, т.е. С = С,, решение дифференциального уравне ния находим в виде: С = С0 { 1 - [(С 0 - С .У О Л ехрС -Ш )} . (6.20) Скорость разложения родопсина, которую можно определить как производную по времени от количества продуктов распада dCjJdt, будет пропорциональна силе света I, падающего на сетчатку глаза, и коэффициенту поглощения света а (коэффициент поглоще ния света определяется как отношение поглощенного светового по тока к падающему). Это соотношение будет справедливо для весьма коротких интервалов времени, сразу после попадания света па сет чатку, а затем начинается процесс восстановления родопсина, поэто му можно написать: dCp/dt = ki a /C - k 2Cp, (6.21) где k x и - соответственно константы скорости реакции разложе ния родопсина и его восстановления из продуктов распада. Гпава 6. Сенсорные системы организма 269 Условием стационарности будет равенство нулю выражения (6.21); откуда найдем Ср = k^aJCIk^. Последнее соотношение применимо и для порогового стимула. Если обозначить через Спконцентрацию продуктов распада родопси на, соответствующую пороговой стимуляции, т.е. при / = / п, то мож но написать, что Сп = k xaJnC!k7. Учитывая выражения (6.19), (6.20) и последнюю формулу, а также введя обозначение (С0 - С,)/С0 = А, найдем: Е = С0( 1 - А) схр (-at) k jx IJ k 7. Максимальная чувствительность глаза Е 0 будет при t —» °о, т.е. при длительной адаптации, поэтому из последнего выражения по лучим: Е 0 = С0 k xaJ„lk2, (6.22) Е - Ец(\ - A)exp(-at). Световую адаптацию (когда глаз переходит от темноты к све ту) тоже можно рассмотреть на основе фотохимических процессов. Принимая во внимание, что текущая концентрация родопсина (С) определяется разностью между его максимально возможной концен трацией (С0) и концентрацией продуктов распада ( Ср), т.е. С = С0 - Ср, и учитывая выражение (6.21), можно написать dC Jdt = k xaJ (С0 - Ср) - к2Ср, откуда dC Jdt + (kxa J + к^)Ср - k xa l С0 = 0. С учетом того, что при Ср - 0 t = 0, после интегрирования по лучим: или Ср = [kiaJC0/(kla I + кт)~\ {1 - ехр[- (kxa l + k j)t\}. (6.23) Изменение чувствительности от времени в процессе световой адаптации можно найти, если воспользоваться определением (6.19), соотношением С = С0 - Ср и выражением (6.22), с учетом того, что при Е = E0 t= 0: Е =— ----- + E »k ia I е х р К * . а / + * ,)]. (k ,a J + k 7) ( * ,а / + *2) (6.24) 270 Биофизика Рис. 6.33. Изменение чувствительности глаза при адаптации: слева - темновой, справа - световой Обе полученные зависимости увеличения или уменьшения чув ствительности глаза соответственно при темновой и световой адапта циях показаны на рис. 6.33. Кривые имеют экспоненциальный харак тер и приведены для двух значений силы света: кривая 1 соответствует меньшей силе света по сравнению с кривой 2. Следует отметить, что темновая адаптация протекает существенно медленнее световой. Спектральная чувствительность колбочек разных типов позво ляет человеку ощущать цвет. Глаз по-разному воспринимает излуче ния разных длин волн: коротковолновые излучения соответствуют фиолетовым цветам, а длинноволновые - красным. Плавные перехо ды и примерные спектральные границы представлены в табл. 6.3. Таблица 6.3 Длины волн монохроматического излучения Цвет Длины волн моно хроматического излучения, нм Цвет Длины волн моно хроматического излучения, нм Фиолетовый 370-455 Желто-зеленый 550-575 Синий 455-485 Желтый 575-587 Сине-зеленый 485-505 Оранжевый 587-610 Зеленый 505-550 Красный 610-780 Излучения, равные по мощности, но с разной длиной волны, со вершенно различны по своему световому действию. Можно устано- 271 Гпава 6. Сенсорные системы организма 400 500 600 X, нм Рис. 6.34. Кривые видности стандартного наблюдателя МКО: 1 - фотопического зрения, 2 - скотопического зрения вить некоторую среднюю кривую, которая характеризует чувстви тельность глаза человека. Международная комиссия по освещению (МКО) в 1924 г. приняла стандартную кривую относительной видно сти (эта кривая еще называется кривой спектральной чувствительно сти стандартного наблюдателя МКО), которая показана на рис. 6.34. Под V(X) понимается зависимость от длины волны X ощущаемой яр кости монохроматического света при постоянной энергии излучения, или, что то же самое, V(X) есть величина, обратная энергии, воздейст вующей на глаз на разных X при ощущении постоянной яркости све тового потока. Максимум кривой спектральной чувствительности зрения, адаптированного к дневной яркости, или, как принято называть, фо топического зрения (кривая 1 на рис. 6.34), соответствует 554 нм; 0,5 ширины спектра лежит в пределах от 510 до 610 нм. Таким образом, ширина фильтра спектральной чувствительно сти составляет 100 нм. Для палочкового аппарата, который реагирует на сумеречное (или скотопическое) зрение (кривая 2 на рис. 6.34), максимум спектральной чувствительности соответствует 507 нм, а 0,5 спектральной характеристики лежит в диапазоне от 455 до 550 нм. Максимумы по абсолютному значению разные и отличаются приблизительно в 100 раз, а спектральная характеристика сдвинута в сторону коротковолновой области на 50 нм. Этот сдвиг объясняет ся специфическим явлением - эффектом Пуркине, который заклю 272 Биофизика чается в том, что при заходе или восходе солнца, когда одновремен но действуют колбочковый и палочковый аппараты, происходит сдвиг максимума чувствительности. Например, красная и синяя по верхности, которые днем кажутся примерно одинаковыми по ярко сти (красный мак и василек), ночью становятся разными: синий предмет светлее красного, красный - существенно темнее (красный нам кажется черным). Эффект цветового зрения возникает за счет того, что в сетчатке глаза имеются колбочки с тремя видами спектральной чувствитель ности. Это подтверждается, например, следующим экспериментом. К сетчаткам кошек и лягушек прикладывали микроэлектроды, позво ляющие отводить потенциалы действия от отдельных волокон зрите льного нерва или от небольших групп таких волокон. В результате получено 4 вида кривых, одна из которых охватывает почти весь спектр видимого излучения, а три остальные воспринимают крас ный, зеленый и синий диапазоны. Существование в сетчатке колбо чек с различной спектральной избирательностью подтверждено для птиц, черепах, ящериц, насекомых. Некоторые авторы считают, что существует не 3, а до 7 спектрально-чувствительных видов колбочек. У человека и приматов в результате исследования спектров по глощения зрительных пигментов найдено 3 вида колбочек, которые характеризуются различными пигментами. Их спектральные харак теристики поглощения приведены на рис. 6.35. Кривые соответству ют фиолетово-синей - 1, зеленой - 2 и желто-красной - 3 областям спектра. Их максимумы, соответственно, расположены на длинах волн около 449, 500 и 562 нм. Хромофорной группой всех колбочек служит ретиналь, а отличаются они опсином, который и придает раз личия в спектральных свойствах. Таким образом, три вида колбочек отвечают за цветовое зрение. Перекрытие спектральных характери стик дает возможность ощущать все плавные переходы цвета. Контрастная чувствительность глаза позволяет определять раз личия в яркости предметов. Самый простой пример контраста можно представить, когда на сером фоне с яркостью 5 ф расположен такой же серый объект, например круг, полоска или область другой конфи гурации, но с яркостью В 0. Для этого объекта контраст определяется соотношениями: К ] = (Вф- В 0)/В0 или К 2 = (Бф- 5 0)/(5ф+ В0). Как пра- Гпава 6. Сенсорные системы организма 273 Рис. 6.35. Спектральные характеристики поглощения света фоторецепторами сетчатки глаза: 1, 2, 3 -разли чн ы е виды колбочек вило, контраст не должен иметь отрицательных значений, поэтому числитель берется по абсолютной величине. Наименьший контраст, который наблюдатель способен заме тить, называется порогом контрастной чувствительности глаза. При наиболее благоприятных условиях, когда света достаточно, на блюдаемый объект виден под углом, большим 0,5°, и его местополо жение хорошо известно, порог контрастной чувствительности со ставляет приблизительно 0,01-0,02. 6.3 .5. Разрешающая способность глаза Разрешающая способность характеризуется тем минималь ным углом (в угловых минутах), под которым глаз видит две распо ложенные рядом детали, как раздельные. Остротой зрения называ ется величина, обратная тому углу зрения, при котором еще можно раздельно видеть две близкие точки предмета, т.е. это величина, об ратная разрешающей способности. Для нормального глаза этот угол составляет 1-1,5'. Разрешающую способность, равную Г, принимают за 100%. Разрешающая способность зрительного анализатора опре деляется тремя факторами: дифракцией света, структурой сетчатки и аберрацией. Дифракция света в зрительном анализаторе происходит за счет того, что перед хрусталиком расположена радужная оболочка, в цен тре которой находится зрачок, представляющий собой диафрагму. Когда наблюдатель смотрит на далекую светящуюся точку (наприIS - 9844 274 Биофизика мер, звезду), пучок лучей, проходящий внутрь глаза, не собирается в одну точку, а освещает на сетчатке маленький кружок. Размер этого кружка как раз и определяется в нормальном случае сферической и хроматической аберрациями оптической системы глаза и дифракци ей света на краю зрачка. При прохождении света через диафрагму диаметром D происходит его дифракция, или явление отклонения све та от прямолинейного распространения, когда свет, огибая препятст вие, заходит в область геометрической тени. В результате прохожде ния света через зрачок на сетчатке образуется кружок рассеяния. Предположим, что на сетчатку проецируются две точки. Мож но считать, что одна точка воспринимается отдельно от другой, если центральная зона дифракционного изображения первой точки совпа дает с минимумом первого порядка (радиуса г) второй дифракцион ной картины. В диапазоне между максимумами яркость определяется суммарной кривой. Если «провал» яркости в центре диапазона со ставляет 27%, то считается, что это соответствует наилучшей разре шающей способности глаза. При дневном освещении, приняв X = 600 нм, D = 3 мм и фокусное расстояние/ глаза около 17 мм, по известной формуле для круглого отверстия г = 1,22XflD получим г = 4 мкм. Структура сетчатки тоже влияет на разрешающую способность. Поскольку фоточувствительные рецепторы представляют собой от дельные клетки, то структура сетчатки является дискретной, причем в центральной части (желтое пятно) почти каждая колбочка соедине на с отдельным нервным окончанием. Чтобы получить изображение двух точек, необходимо возбудить два фоторецептора, но между ними должен находиться хотя бы один невозбужденный. Следовательно, два дифракционных изображения должны возбудить две колбочки, а минимум в этой двойной дифракционной картине должен попасть на третью - между ними (чтобы была достаточная неравномерность освещения). Если принять, как и р ан ее,/ = 17 мм, то при угловом раз мере между двумя видимыми точками в Г линейное расстояние меж ду центрами их изображений будет 4 мкм. Гистологические исследо вания показали, что диаметр колбочек соответствует примерно 2 мкм и, если колбочки располагаются вплотную, минимальное расстояние на сетчатке, способное сформировать ощущение изображения двух точек, составляет примерно 4 мкм. Таким образом, разрешающая спо Гпава 6. Сенсорные системы организма 275 собность глаза определяется хорошо согласующимися размерами све точувствительных элементов сетчатки и структурой дифракционного изображения светящихся точек. Третий фактор, влияющий на разрешающую способность, аберрация света. Наиболее значимые для разрешающей способно сти глаза аберрации - хроматическая и сферическая. Хроматическая аберрация состоит в том, что излучения различных длин волн, входя щих в состав падающего потока света, преломляются по-разному и образуют не одно, а множество изображений предмета. Накладываясь друг на друга, эти изображения создают нерезкую картину, кото рая не позволяет достичь предельного различения деталей. Этот вид аберрации сказывается, если фотоприемник (глаз) чувствителен в широком диапазоне длин волн. Поскольку диапазон воспринимае мого глазом излучения относительно мал (учитывая еще и спектра льные свойства колбочек), то влияние хроматической аберрации на разрешающую способность незначительно. Сферическая аберрация заключается в том, что параллельные лучи, идущие около оптиче ской оси, имеют большее фокусное расстояние, чем лучи, удаленные от этой оси. Кома - сферическая аберрация, возникающая при косом попадании пучка света. Дисторсия - искривление прямых линий объекта. Недостаточность кривизны преломляющих поверхностей глаза (астигматизм роговицы) компенсируется равным по значению и обратным по направлению астигматизмом хрусталика. Дифракция и аберрация света не зависят от освещенности, а раз решающая способность глаза-зависит. Следовательно, этот параметр связан с явлениями, происходящими в сетчатке. Освещенность может быть настолько малой, что энергии, получаемой колбочкой, недоста точно для возбуждения нервного волокна, но зрение не пропадает, т.е. происходит пространственное суммирование на уровне синаптиче ских слоев. Следует отметить, что глазное яблоко находится в непре рывном (автоматическом) движении, в результате которого изображе ния внешних предметов все время скользят по поверхности сетчатки. Такое перемещение сглаживает зернистую структуру, приближая дей ствие сетчатки к действию, которое обеспечивает идеальный свето чувствительный слой. Известно, что оптическое изображение на мато 276 Биофизика вом стекле становится заметно более четким, если стекло приводится в быстрое движение (вращается). 6 .3 .6 . Кодирование информации в органе зрения При изучении кодирования информации рассматривают коди рование длины волны света, интенсивности света, размеров и формы предметов, расстояния до предметов. Длина волны кодируется тем, что в сетчатке присутствуют три вида колбочек с разной спектраль ной чувствительностью. Интенсивность света кодируется частотой потенциалов действия в волокнах зрительного нерва, которая опре деляется параметрами рецепторных потенциалов фоторецепторов. Кодирование информации о расстоянии до предметов происхо дит при монокулярном (работает один глаз) или бинокулярном (рабо таю т два глаза) зрении. При монокулярном зрении основное значение в оценке расстояния имеет аккомодация. Кривизна хрусталика изме няется за счет изменения степени напряжения ресничной мышцы, ко торая воспринимается мышечным веретеном (проприорецептором), передающим информацию о кривизне хрусталика. При бинокуляр ном зрении основное значение имеет диспарация или расхождение изображений предметов на сетчатках обоих глаз. Когда глаза наведе ны на предмет, изображения всех его точек попадают на идентичные участки сетчаток обоих глаз и в представлении человека два изобра жения сливаются в одно. В то же время изображения предметов, уда ленных и приближенных, попадают уже на разные (диспаратные) участки двух сетчаток и представляются раздвоенными. Возникает ощущение большей или меньшей удаленности, т.е. глубина рельефи кодируется значением диспарации. При бинокулярном зрении точ ность оценки расстояния значительно выше, чем при монокулярном, Линейные размеры предметов кодируются количеством воз буждаемых фоторецепторов. В зависимости от величины предмета на сетчатке будет формироваться изображение большей или мень шей площади и будет возбуждаться разное число рецепторов. Вели чина изображения предмета на сетчатке зависит от расстояния до предмета, т.е. от углового размера, поэтому оценка величины будет зависеть и от расстояния. 277 Гпава 6. Сенсорные системы организма Как уже отмечалось, важную роль в кодировании информации и органе зрения имеют процессы обработки сигналов на уровне сет чатки, особенно латеральное торможение, за счет которого повыша ется контраст, в том числе и цветовой. У некоторых животных (на пример, лягушек) уже в сетчатке происходит выделение информации о движущихся объектах. 6 .3 .7 . Цветовое зрение Трехкомпонентная теория цвета. Всю гамму спектральных цветов Ньютон в 1669 г. представил графически, расположив их на окружности, в центре которой находится белый цвет. Поверхность, ограниченная окружностью, называется цветовым кругом Ньютона, он изображен на рис. 6.36, а. В 1756 г. М.В. Ломоносов первым в мире сформулировал трехкомпонентную теорию цветового зрения, Томас Юнг в 1802 г. доказал в эксперименте, что смешением трех lfnar.ub.iM Желтый O nauw eB L Ju Красный Пурпурный Голубой Синий б) в) Зеленый 630 Красный Пурпурный Синий в) Рис. 6.36. Аддитивное смешение цветов а - цветовой круг Ньютона, б - смешение цветов по Юнгу, в - цветовой треугольник Максвелла. Ц - выбранный цвет, Цз - дополнительный к цвету Ц цвет 278 Биофизика основных цветов можно получить все другие цвета, Д. К. Максвелл построил один из первых колориметров, а Г. Гельмгольц в 1852 г, его усовершенствовал. Классический эксперимент, поставленный Юнгом, заключался в том, что на экран проектировались с перекрытием световые потоки трех проекционных фонарей, предварительно пропущенные через зе леный, красный и синий светофильтры. В середине изображения, как показано на рис. 6.36, б, получился белый, перекрытие синего и зеле ного давало голубой и т.д. Максвелл в 1861 г. фотографировал окрашенный объект на три черно-белые фотопластинки: на первую - через красный свето фильтр, на вторую - через зеленый, а на третью - через синий. В ре зультате получались три цветоделенных негатива. Полученные за тем три позитива проектировались на один экран, каждый через .свой светофильтр, причем от источника белого света, как и при фо тографировании. В результате совмещения трех изображений на эк ране воспроизводилась картина объекта в натуральных цветах. В ка честве основных цветов Максвелл выбрал красный, зеленый и синий спектральные цвета с длинами волн соответственно Хк= 630, А,3= 528 и Хс = 457 нм. Расположив основные цвета в углах равностороннего треугольника, он графически показал смешение цветов. Этот график (рис. 6.36, в) называется цветовым треугольником Максвелла. В нем спектрально чистые цвета лежат на сплошной линии, расположенной за пределами треугольника. Цвета, которые могут быть получены смесью основных, расположены внутри треугольника или на его сто ронах. В центре треугольника (как и в центре цветового круга Нью тона) расположен белый цвет (Б). Цифры обозначают длину волны (в нанометрах) монохроматического света. Многие экспериментально установленные факты, включая приведенные выше, легли в основу современной трехкомпонентной теории цветового зрения. В 1959 г. Лэнд (США) попытался опровер гнуть трехкомпонентную теорию, используя в экспериментах два светофильтра (зеленый и красный) при фотографировании цветного объекта. После воспроизведения исходной картины вся гамма цвето вых оттенков получалась только для ограниченного сочетания пло щадей цветных объектов, у остальных частей наблюдались искаже- 279 I пава 6. Сенсорные системы организма иия цвета, малая гамма, низкая насыщенность. Считается, что этот отрицательный результат экспериментального исследования служит веским подтверждением теоретической основы трехкомпонентной теории цветового зрения, т.е. того, что автор хотел опровергнуть. Так Пыла заложена основа современных колориметрических систем, от носящихся к низшей метрике цвета, которая широко используется и различных прикладных областях техники, дизайна, искусства и др. В цветовом круге Ньютона и треугольнике Максвелла каждая точка на прямой, соединяющей точку Ц и центр (точка белого Б), имеют тот же цветовой тон (оттенок), что и цвет Ц (см. рис. 6.35, а, (Т), но насыщенность цвета при приближении к центру уменьшается. 1:,сли эту прямую продлить, то на противоположной окружности круга (стороне треугольника) она пройдет через точку Цд, обозна чающую цвет, дополнительный цвету Ц. Каждому цвету соответст вует дополнительный, обладающий тем свойством, что при смеше нии в определенной пропорции световых потоков данного цвета и дополнительного получается белый цвет - это один из законов Грассмана, сформулированных в 1853 г. Например, для желтого цвета дополнительным является синий, для оранжевого - голубой, для зеленого - пурпурный (смесь красного и синего). Связь длин волн основного и дополнительного спектрально чистых цветов при ведена на рис. 6.37. Ощущения одинакового цвета могут создаваться при различных спектральных составах поступающего в глаз светового потока. Это яв ление называется метамеризмом. Два световых потока, различные по 430 450 470 490 X. нм Рис. 6.37. Примерное соотношение длин волн спектрально чистых и дополнительных цветов 280 Биофизика составу спектров, но создающие ощущения одинакового цвета, назы ваются метамерной парой. Однако световой поток определенного спектрального состава при одинаковых условиях всегда создает ощу щение одного и того же присущего ему цвета. Это следующий закон Грассмана, из которого получаются весьма важные следствия, рас смотренные далее. Определим субъективные и физические параметры цвета. Цвег характеризуется тремя параметрами - яркостью, цветовым тоном и насыщенностью, поэтому он является величиной трехмерной. Яр кость цвета определяется световым потоком, излучаемым в данном направлении единицей площади поверхности (излучающей или отра жающей) в пределах единичного телесного угла. Яркость цвета при нято определять по эквивалентности зрительного восприятия интен сивности свечения окрашенной поверхности и поверхности с соответствующей ступенью серой шкалы. Для оценки интенсивно сти цвета наряду с яркостью иногда применяется понятие светлоты цвета - это относительная величина, определяемая пугем сравнения яркости цвета с яркостью белой поверхности в тех же условиях осве щения и совпадающая с коэффициентом отражения (пропускания, если объект прозрачен). Цветовой тон цвета позволяет оценивать его как красный, зеленый, синий и т.д. Насыщенность цвета есть степень его свободы от примеси бе лого цвета. Ее еще можно определить как число световых порогов (едва заметных переходов), которые отделяют данный цвет от бело го, равного с ним по яркости. Спектральные цвета имеют максималь ную насыщенность, а для белого насыщенность пулевая. Цветовой гон, яркость и насыщенность не являются полностью независимыми. Например, цветовой тон слегка изменяется при изменении яркости и насыщенности. Цветовой тон и насыщенность характеризуют цвегность цвета независимо от его яркости. Таким образом, цвег может быть охарактеризован яркостью и цветностью. Яркость является физической величиной, а цветовой тон и на сыщенность - субъективными. Последним соответствуют физиче ские величины, называемые преобладающей длиной волны цвета А.ц и чистотой цвета р к. Под преобладающей длиной волны цвета по нимают длину волны монохроматического света (излучения с очень / лава 6. Сенсорные системы организма 281 узким спектральным составом), цветовой тон которого такой же, как у данного цвета. Для пурпурных цветов, которые не могут быть вос произведены только монохроматическим излучением, под преобла дающей длиной волны Хад понимают длину волны дополнительных к ним монохроматических световых потоков. Под чистотой цвета (колориметрической) понимают отно сительное содержание в нем спектрального цвета (монохроматиче ского светового потока) ФЦ по отношению к сумме полихроматиче ского излучения ФБ и монохроматического ФЦ, т.е. р к = ФЦ /(ФЦ + I ФБ). Для спектральных цветов р к = 1, так как ФБ = 0, а для белого цвета р к = 0, поскольку ФЦ = 0. Способы смешения цветов и цветовое уравнение. Смесь неско льких цветовых потоков называется аддитивной (от латинского сложение). Существуют следующие способы аддитивного смешения цветов: одновременное смешение, рассмотренное ранее; поочеред ное смешение, когда частота предъявления изображения больше кри тической частоты мельканий; пространственное смешение, когда по верхность покрыта мелкими разноцветными пятнами, например текстильная ткань или мозаика, экраны цветных телевизоров или цветных мониторов компьютеров; бинокулярное смешение - когда каждый глаз в отдельности воспринимает разные цвета (стереоцветное кино и специальное цветное телевидение). s Кроме аддитивного, используется субтрактивное (вычитание) смешение. Его суть состоит в том, что при прохождении света через различные цветные (относительно прозрачные) среды в каждой из них поглощается некоторая часть исходного спектрального состава этого цвета. В результате на выходе остается спектральный состав света за вычетом поглощенных составляющих. Такой способ чаще всего используется, например, в живописи и полиграфии, когда свет, проходя через частицы красителей, избирательно поглощается и в ос тавшемся (отраженном от несущей поверхности) потоке сохраняются пепоглощенные цвета. Рассмотрим согласование цвета. Предположим, что в простей шем колориметре, упрощенная схема которого приведена на рис. 6.38, есть призма П (например, выполненная из гипса или другого материа ла с нанесенным на него отражающим покрытием - окида магния или 282 Биофизике др.). На одну грань направляют изучаемый световой поток Фц от лам пы JI, прошедший через объект Об, цвет (Ц) которого необходимо со гласовать. На другую грань подаются световые потоки трех основных цветов, например красного, зеленого и синего, формируемые лампа ми JI, - Л3 и соответствующими светофильтрами К, 3, С. Совмещение световых потоков производится с помощью полупрозрачных зеркал 3), 32 и обычных зеркал З3,3 4. Наблюдатель Н через отверстие в экране Э видит два поля, показанных на рис. 6.38. Зеркала З3 и 34 должны по возможности полностью отражать падающий на них свет, а зеркала 3] и 32 - частично пропускать и час тично отражать свет. Если, например, 3, пропускает 50% света, а 3; пропускает 66%, то до призмы дойдет около трети каждого светового потока (без учета потерь при пропускании и отражении). Регулируя освещенность полей 1 и 2, которые видит наблюдатель (например, из меняя расстояния между каждым из источников и призмой, или дру гим способом), можно добиться исчезновения грани между полями сравнения (рис. 6.38), т.е. выполнить условие согласования по ярко сти и цветности. Процесс согласования цвета происходит при различ ной мощности излучений, но смесь двух или трех основных цветом дает цвет менее насыщенный, чем спектральные цвета. Согласование по спектральным цвегам невозможно, поэтому расширим понятие согласования. Добавим к цвету Ц один или дви основных цвета. Это можно осуществить, например, перемещением зеркал на пути от излучателей JI, - JI3. Тогда цвет (Ц) будет менее на сыщенным и согласование становится возможным. Можно считать, что смеси цветов содержат основные цвета К, 3, с справа со знаком «плюс», а слева - «минус». Три основных цвета позволяют получить Э н Рис. 6.38. Схема простейшего колориметра и поле сравнения / лева 6. Сенсорные системы организма 283 согласование с любым цветом. Согласование сохраняется в широком диапазоне яркостей. Из упомянутого ранее закона Грассмана о том, что результат смешения нескольких излучений определяется цветами этих излуче ний, а не их спектральными составами, хотя изменение спектра излу чения может вызвать изменение его цвета, вытекают три важных следствия. 1. Если цвет Ц] согласован с цветом Ц2 и цвет Ц3 согласован с ЕЦ, то IJj + Цз согласуется с цветом смеси Ц2 + Ц*, т.е. Ц] + Цз = Ц2+Ц42. Это правило справедливо и при вычитании цветов: Ц, - Ц3 = Ц2 -Ц 4- 3. Если цвет Ц, согласован с цветом Ц2, то увеличение или уменьшение яркости обоих цветов в одинаковое число раз не наруша ет согласования. Приведенные следствия называют законами линейности при установлении цветовых равенств. Первые два указывают на сохра н и т е аддитивности при согласовании цветов, а последнее - на сохра нение пропорциональности. Если основные цвета обозначить через К, 3, С и принять за единичные количества этих цветов значения [К], [3],JC], то получим, что число этих единичных количеств для согласования с цветом Ц нужно взять соответственно К, 3, С, т.е. можно написать уравнение Ц = К[К] + 3[3] + С [С], (6.25) где К, 3, С - координаты цвета или абсолютные трехцветные коэф фициенты, т.е. число единичных количеств основных цветов. Справедливо будет и уравнение Ц, + Ц2 = (К, + К2)[К] + (3, + 32)[3] + (С, + С2)[С]. (6.26) Обозначив через [Ц] единичное количество цвета Ц в системе основных цветов К, 3, С, получим, что для цвета Ц необходимо m этих единичных количеств, или Ц = ш[Ц]. Пользуясь последним равенством и выражением (6.25), напишем 284 Биофиэикш ш[Ц] = К[К] + 3[3] + С [С], (6.27) где ш = К + 3 + С -цветовой модуль цветаЦ. Уравнение (6.27) определяет трихроматическую систему количественной оценки цвета. Единичное количество цвета [Ц], соответствующее основным цветам, называется трихроматической единицей Т цвета и является относительной величиной. Абсолютное значение Т определяется абсолютным количеством единичных основных цветов (например, их световым потоком, яркостью и др.). Цвет, для которого К = 3 = С, называется равностимулъным ЦР, а его модуль - шР. Если К = 3 = с = 1Т, то шР = ЗТ. Разделив обе части уравнения (6.27) на ш, получим [Ц] = (К/m)[К] + (3/т)[3] + (С/т) [С] = К' [К] + 3' [3] + С' [С], (6.28) где К', 3', С' - относительные трехцветные (трихроматические) ко эффициенты или координаты цветности. Учитывая, что m = К + 3 + С, получаем К' + 3' + С ' = 1 . (6.29) Таким образом, достаточно знать два коэффициента, поскольку третий можно вычислить. Уравнение (6.29) называется единичным или унифицированным цветовым уравнением и определяет цветность цвета независимо от яркости. Так как цветность определяется двумя параметрами (цветовым тоном и насыщенностью или преобладаю щей длиной волны и чистотой), а не тремя, то название коэффициен тов К', 3', С' координатами цветности вполне оправданно. Обозначив яркости единичных количеств основных цветов L[K], L[3] и L[C], можно, по аналогии с выражениями (6.25) и (6.28), определить яркость ЬЦ цвета Ц и яркость Ц Ц] его единичного количества: ЬЦ = К Ц К] + 3L[3] + СЦС], (6.30) Ц Ц ] = Ь Ц /ш = К 'Ц К ] + З 'Ц З ] + С 'Ц С ] , (6.31) Гпава 6. Сенсорные системы организма где 285 m = Ц/[Ц] = L-Ц/ЦЦ] - модуль цвета, как и в выражении (6.27). Величины L[K], L[3], L[C] в формулах (6.30 и 6.31) могут быть выражены как в абсолютных единицах (кд/м2), так и в относительных, например долях яркости равностимульного цвета. Поскольку цвет является трехмерной величиной (характеризу ется тремя параметрами - яркостью, цветовым тоном и насыщенно стью), его можно представить в виде точки в трехмерном пространст ве. Положение точки задается тремя координатными осями основных цветов, образующими цветовое пространство, в котором расположен вектор Ц. Его начало помещается в начале координат, а конец - в дан ной точке пространства, отображающей цвет Ц. Длина вектора харак теризует яркость цвета, направление определяет цветность (цветовой гон и насыщенность). Пространство, в котором находятся цветовые векторы, называется цветовым пространством (цветовым телом). Единичные цветовые векторы (т.е., векторы, представляющие еди ничное количество цвета, равное 1Т), как правило, имеют различную геометрическую длину. Это обусловлено тем, что единичные количе ства цветов могут иметь различную яркость. Длина цветового вектора, представляющего любой цвет, опре деляется его яркостью, а не трихроматическим количеством цвета. Модуль цветового вектора есть его длина, выраженная в трихроматических единицах. Единичные количества основных цветов могут быть представлены единичными векторами (ортами) [К], [3], [С], на пример в традиционной декартовой системе координат. Состав спек тра излучения или длин волн может быть разным, но сумма количеств единичных цветов всегда принимается равной одной трихроматической единице. Точка 0 представляет собой «черное», так как нулевая длина соответствует нулевой яркости. Поскольку при аддитивном смешении цветов яркость результирующего цвета не может умень шаться, то не может быть и цветовых векторов отрицательных на правлений. Совокупность всех реальных цветовых векторов занимает в пространстве телесный угол, меньший 2к, поэтому векторы должны быть некомпланарными. На ортах в цветовом пространстве располо жен единичный параллелепипед, диагональ которого, проходящая че рез начало координат, представляет собой вектор равностимульного цвета Ц с координатами 1Т. 286 Биофизика На концах единичных векторов основных цветов можно опрс делить плоскость, которая называется единичной плоскостью в дан ном цветовом пространстве. На этой плоскости определим треуголь ник, опирающийся своими углами на концы ортов основных цветов, и называемый единичным цветовым треугольником. Отрезок вектора цвета от начала координат до точки его пересечения с единичной плоскостью определяет единицу измерения модуля единичного век тора цвета. Модуль единичного вектора определяет ту единицу, кото рой измеряют модуль вектора соответствующего направления (цве та). Поскольку яркость пропорциональна модулю, то единичный вектор не несет информации о яркости цвета. Поскольку выражение (6.29) позволяет однозначно определить цветность только двумя ко ординатами, то ее (цветность) можно найти по проекции единичной гшоскости на одну из координатных плоскостей. Однако для форми рования базовой (или опорной) точки, относительно которой следуе i определять координаты цветности, необходимо выполнить конкрет ные условия. В качестве основного (базового) цвета берут равноэнергетиче ский белый цвет источника Е, т.е. такой белый, у которого все спек тральные составляющие имеют одинаковую энергию. Приняты 6 стандартных источников белого цвета. Четыре введены в 1931 г. МКО, это источники А, В, С и Е, в дальнейшем ввели D. Они отли чаются цветовыми координатами или цветовой температурой ТЦ, которой называется цветность излучения абсолютно черного тела в пределах видимого спектра, нагретого до указанной температуры по шкале Кельвина. Источник типа а соответствует излучению воль фрамовой лампы накаливания (средний искусственный свет, ТЦ = 2856°К); В - рассеянному полуденному солнечному свету (искусст венный дневной свет, ТЦ = 4874°К); С - прямому солнечному свету (смешанный цвет излучения солнца и неба при малооблачном небе), он близок к среднему дневному свету северного неба (искусственный дневной свет, ТЦ = 6774°К). Следует учесть, что спектральный состав излучения различных ламп «дневного света» (уличных и комнатных) основан на люминесцентных эффектах покрытий вну тренней поверх ности колбы. Источником белого Е утвержден тот, у которого спектр излучения равноэнергетический. I пава 6. Сенсорные системы организма 287 Источники белого D65 и D75 соответствуют цвету голубого неба и содержат в своем спектре ультрафиолетовую область (начиная с 300 нм). Они были введены позднее, поскольку при разработке и применении люминесцентных красителей и покрытий возникла не обходимость учитывать стандартизованное соотношение в источнике освещения спектральных составов излучения ультрафиолетовой час ти спектра. Например, применяют так называемые оптические отбе ливатели, т.е. люминофоры, которые, поглощая ультрафиолетовое излучение, люминссцируют голубым светом и делают желтоватую поверхность (ткани или бумаги) значительно белее. Добавление к красному красителю люминофора, который, поглощая коротковол новое излучение, гоже светится красным, повышает яркость поверх ности так, что она невольно бросается в глаза. Ни один из первых че тырех источников не создает этих эффектов, поэтому их применение для измерения цвета или цветности образцов, в окраске которых со держится люминофор, дает заведомо неправильные результаты. Два источника D отличаются цветовой температурой: D65 имеет ТЦ = - 6500°К, а у D75 ТЦ = 7500°К. Зависимость координат цветности спектральных цветов от дли ны волны изображается графически кривыми смешения. Спектраль ные цвета, которые изображаются на единичной плоскости вектора ми, образуют кривую, называемую спектральным локусом. Рисунок, представляющий собой изображение цветностей на единичной плос кости или ее проекциях, называется хроматической диаграммой, или диаграммой цветности. Если основные цвета существуют реально, то кривые смешения имеют для отдельных участков спектра отрица тельные значения, поскольку сумма основных цветов дает цвет менее насыщенный, чем спектральные цвета. Можно в качестве основных выбрать условные, удобные для расчетов цвета, причем так, чтобы кривые смешения не имели отрицательных значений. Тогда они на зываются кривыми сложения основных возбуждений. Стандартные колориметрические системы МКО. В 1931 г. МКО на 8-й сессии утвердила две стандартные системы: RGB и XYZ. 13 системе RGB приняты за основные цвета красный (R) с A.R = 700 нм, зеленый (G) с A.G = 546,1 нм и синий (В) с Х.В = 435,8 нм. Единичное цветовое уравнение в системе RGB выглядит так: 288 Биофизика Ц —rR + gG + ЬВ, где г, g, b - координаты цветности, a R, G и В - единичные количе ства основных цветов. В качестве единичных количеств основных цветов выбраны та кие их количества, смесь которых согласована с равноэнергетиче ским белым Е: Е = 1,0 R + 1,0 G + 1,0 В, т.е. R = G = В = 1Т и m = ЗТ. Здесь, как и ранее, m - модуль, аТ -трихроматическая единица цвета. Световые потоки OR, OG, ФВ еди ничных основных цветов относятся, как OR : OG : ФВ = 1 : 4,5907 : 0,0601, т.е., если яркости единичных количеств цветов (условно): L R = 1 кд/м2; L G = 4,5907 кд/м2; L В = 0,0601 кд/м2, тогда яркость равностимульного белого Е будет: L E = L R + L G + L B = 1+ 4,5907 + + 0,0601 = 5,6508 кд/м2. Коэффициенты L R, L G и L В являются яркостными коэффициентами. Расположив в прямоугольной системе координат основные цвета RGB, получим равносторонний цветовой треугольник (в проек ции на одну из координатных плоскостей). Вид диаграммы цветности на плоскости rg показан на рис. 6.39. Здесь координаты г и g изобра жаются отрезками одинаковой длины, так что шкалы значений г и g равномерны. Для точек, лежащих на стороне RG цветового треуголь ника, справедливо Ь = 0 и г ± g = 1). На этой стороне находятся насы щенные красный, оранжевый, желтый, зеленый цвета. На стороне BR расположены насыщенные пурпурные цвета. Спектральный локус выходит за пределы треугольника основ ных цветов. Это связано с тем, что любая цветность с меньшей насы щенностью, чем у основных цветов, может быть согласована смесью положительных количеств этих цветов и изображается внутри цвето вого треугольника RGB. Цветность с насыщенностью, большей насы щенности основных цветов, согласуется смесью трех основных, из которых один или два берутся с отрицательным знаком, т.е. добавля ются к данному цвету. Поэтому такая цветность изображается точ кой, лежащей вне треугольника. Гпава 6. Сенсорные системы организма 289 Рис. 6.39. Диаграмма цветности rg Стрелкой показано увеличение длины волны спектрально чистых цветов, в центре треугольника RGB находится равноэнергетический белый цвет Е, в вершинах треугольника находятся основные цвета R, G и В Рассмотрим согласование цвета в системе RGB. Предположим, что вместо источника JI (см. рис. 6.38) стоит монохроматор, который последовательно выделяет узкие спектральные диапазоны излучения и направляет их на левую грань призмы. Мощность излучения в каж дом диапазоне всегда поддерживается постоянной, например 1 Вт. При каждом предъявлении спектрального диапазона выполняется со гласование цветов. В результате получены таблицы и кривые, кото рые показывают, сколько единиц соответствующего основного цвета (R, G или В) нужно взять, чтобы получить цвет излучения с соответ ствующей длиной волны и мощностью 1 Вт. Эти зависимости назы ваются кривыми удельных координат стандартной системы RGB (рис. 6.40) и обладают такими свойствами, что площади под кривыми одинаковы и сумма световых потоков основных цветов, необходи мых для согласования со спектральным цветом мощностью 1 Вт, со ответствует кривой стандартной относительной видности (см. рис. 6.40). Несмотря на наглядность и другие достоинства системы RGB, она имеет и три существенных недостатка. Во-первых, отрицатель ные значения координат цветности г, g, b и удельных координат за трудняют расчеты для сложных излучений. Во-вторых, если цвет за дан значением яркости (или светового потока) и координатами цветности г, g, b, то для вычисления координат цвета R, G, В по фор мулам, аналогичным (6.28), необходимо знать цветовой модуль т , 14 - 9844 Биофизика 290 380 420 460 500 540 580 620 660 X, нм Рис. 6.40. Кривые удельных координат стандартной системы RGB (кривые смешения МКО) •расчет которого является трудоемким, если коэффициенты г, g, b имс ют разные знаки. В-третьих, кривые координат цветности г, g, b при знаны МКО в 1955 г. недостаточно точными, особенно в области си них цветов. Одновременно с системой RGB была принята вторая стандар т ная колориметрическая система XYZ, которая является производной от RGB. Основные цвета X, Y, Z не являются реальными, а представ ляют собой математическую абстракцию, т.е. некоторые точки на хроматической диаграмме RGB, как это показано на рис. 6.41, а. Координаты цветности rgb основных цветов системы XYZ определяются следующими соотношениями. Для X: г = 1,2750, g = - 0,2778, b = 0,0028; для Y: г = -1,7393, g = 2,7673, b = -0,0280 и дли Z: г = -0,7431, g = 0,1409, b = 1,6022. Световые потоки относятся в пропорции: ФХ : OY : ФВ = 0 : 1 : 0 (такая же пропорция соответс i вует и яркостным коэффициентам), т.е. только составляющая Y несс i информацию о мощности (яркости) суммарного потока. Базисный стимул в системе XYZ остается прежним - равноэнергетический бс лый цвет Е, который получается при сложении в равных количествах основных стимулов системы XYZ. Если представить координаты XY прямоугольными (провести проективное преобразование), то косоугольный треугольник XY / 291 Глава 6. Сенсорные системы организма 52 Э s £30 / 51 0G„ .5 4 0 1 \ \ 50 3 1 / \ 4 /,=2,0 -0,5 а) 9Су о \ X, нм Ч 5v5 70^ 'P i / , / 590 е \ 4; 4 б \ 1 /, 47 0 0,1 0,2 0.3 0,4 0,5 0,6 0,7 X о\в б) Рис. 6.41. Хроматическая диаграмма XYZ а - изображение координат цветности в системе rg; б - спектральный локус (рис. 6.41, а) превратится в прямоугольный. Спектральный локус расположен внутри треугольника XYZ, поэтому кривые сложения основных стимулов в системе XYZ, показанные на рис. 6.42, не содержат отрицательных участков. На хроматической диаграмме XYZ (рис. 6.41, б) область зеле ных и голубых цветов помещается на криволинейном участке от 510 до 480 нм, а область синих и фиолетовых расположена на коротком криволинейном участке от 480 нм и менее. В области от 510 до 550 нм кривизна спектрального локуса наибольшая, поэтому насыщенные цвета в этой области получаются только при смешении двух близких по длине волны спектральных цветов. Высоконасыщенные желтые, оранжевые и красные цвета могут получаться при смеси более широ ких по спектральному диапазону световых потоков, так как спек тральный локус в этой области почти прямолинеен. Пурпурные цвета с максимальной насыщенностью (в спектре солнца пурпурных цветов нет) размещены на прямой, соединяющей концы спектрального локуса (т.е. точки, соответствующие красному и фиолетовому цветам). Точки, лежащие вне области, ограниченной спектральным локусом и линией пурпурных цветов, следует рассмат ривать не как реальные цвета, а как точки, отвечающие закону согла- 292 Биофизика 400 500 600 X, нм Рис. 6.42. Кривые удельных координат в системе XYZ по оси абсцисс отложена длина волны спектрально чистых цветов, а по оси ординат -уд ел ьн ы е координаты (см. пояснения к рис. 6.40) сования цветов и соответствующие цветам, более насыщенным, чем спектральные. Поскольку спектральный локус не имеет вогнутых участков, то смесь двух и более спектральных цветов всегда лежю или на самом спектральном локусе, или внутри него, но никогда не может лежать вне площади, ограниченной спектральным локусом. Можно сформулировать следующие основные свойства коло риметрической системы XYZ. 1. Все реальные цвета лежат внутри локуса и могут быть определены положительными значениями удельных координат. 2. Цветность белого равноэнергетического Е лежит в центре тяжести треугольника XYZ и определяется значениями координат Х = 1/3 и Y = 1/3. 3. В треугольнике BER лежат пурпурные цвета. 4. Дополнительные цвета лежат на пересечении прямой, прохо дящей через точку Е, с кривой спектральных цветов. 5. Цвет смеси двух цветов определяется точкой на прямой, соединяющей смешиваемые цвета. 6. Цвет смеси трех цветов определяется точкой, лежащей внут ри треугольника, в вершинах которого лежат смешиваемые цвета. 7. Яркостные коэффициенты относятся, как Lx : L y: Lz = 0 : 1 : 0, т.е. яркость передается только координатой Y, а цветность - коорди натами X и Z. Гпава 6. Сенсорные системы организма 293 Последнее свойство является важным преимуществом системы XYZ, поскольку выражения, аналогичные (6.25)—(6.31), в этой систе ме существенно упрощаются. Для примера на хроматической диа грамме XYZ (рис. 6.41, а) показаны линии постоянной яркости (от L = 0 до L = 6), которые параллельны стороне ZX. Законы колориметрии, относящиеся к смешению цветов и со ответствующие свойствам глаза при согласовании (уравнивании) цветов, относятся к низшей метрике цвета. Под высшей метрикой цвета понимается часть колориметрии, относящаяся к изучению от личий между цветами. Для этого вводятся понятия цветового порога и меры различия между цветами. Порогом изменения ощущения на зывается наименьшее изменение ощущения, испытываемое наблюда телем. Если известен такой порог, то можно определить число поро гов между ощущениями от двух различных раздражителей. Это число считается мерой различия таких ощущений. По имеющимся данным о чувствительности глаза к изменени ям цветности Джадд (США) и Мак-Адам построили зоны, соответст вующие 10 порогам цветоразличения. Оказалось, что диаграмма XY, показанная на рис. 6.43, обладает тем свойством, что в различных ее областях пороги цветоразличения занимают разные зоны. В области синих цветов число различимых цветов, приходящееся на единицу v 0,8 0,7 0.6 0,5 0.4 0,3 0,2 0,1 0 0,1 0.2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 X Рис. 6.43. Эллипсы равного числа цвет овых порогов 294 Биофизика площади диаграммы, примерно в 400 раз больше, чем в области зеле ных цветов. Это связано с тем, что глаз воспринимает изменения ко ординат цветности XY не по линейному закону. Таким образом, хотя на хроматической диаграмме расстояние между двумя точками все гда является критерием различия цветностей, по величине этого рас стояния нельзя точно судить о количестве содержащихся в нем поро гов цветоразличения. Нужно создать такую хроматическую диаграмму, в которой по роги цветоразличения (при неизменной яркости) во всех направлени ях выражаются отрезками прямой постоянной длины, независимо от места на диаграмме. Такая диаграмма называется равноконтрастной диаграммой цветности. Она может быть получена путем проектив ного преобразования плоскости XYZ на плоскость UVW, располо женную так, чтобы все эллипсы преобразовались бы в окружности и область зеленых цветов сократилась бы, а синих - расширилась. Нужно поменять основные цвета на U, V, W. В 1960 г. диаграмма Мак-Адама была рекомендована МКО в качестве весьма точной рав неконтрастной диаграммы. Равноконтрастная диаграмма Мак-Адама была построена, исходя из уравнений: U = 2Х/3; V = Y; W = 1 ,5 Y - 0,5Х + 0,5Z, откуда модуль цвета в системе UVW m = U + V + W = (X + 1 5 Y + 3Z)/6 Координаты цветности связаны дробно-линейными зависимостями: u = U/m = 2r/(6Y - X + 1,5); v = V/m = 3Y/(6Y - X + 1,5); w = 1 - (u + v). Если эллипсы, показанные на рис. 6.41, построить на равнокон трастной диаграмме, то равновеликих кругов получить не удастся, что подтверждает приближенный характер этой диаграммы. Однако отношение наиболее длинного отрезка между определенным числом порогов цветоразличения к наиболее короткому на разных участках диаграммы составляет 2 : 1 , тогда как на диаграмме XY это отношс ние 20 : 1. Г пава 6. Сенсорные системы организма 295 Измерение цвета и субъективные эффекты цветовосприятия. Способы измерения цвета делятся на субъективные и объективные. Первые основаны на сравнении цвета объекта с цветом эталона (об разца) или использовании визуальных колориметров. Вторые - на применении вместо глаза человека (как фоторегистратора) фотоэлек трических преобразователей, как правило, совмещенных с автомати зированными компьютерными средствами. Среди субъективных способов в мировой практике приобрели известность атласы образцов цвета Манселла. Атласы Манселла со держат около 1500 образцов цвета, в зависимости от издания (полный атлас содержит 3500 образцов). Например, в одном из изданий размер каждой из карт цветового тона составляет 25,4 х 33 см2, а размер от дельного образца - 1,8 х 2,1 см2. Цвета расположены так, что разли чия в их яркости, насыщенности и цветовом тоне везде воспринима ются как примерно одинаковые. Яркость называют интенсивностью цвета, а насыщенность - хромой. Координаты X, Y для цветов образ цов Манселла известны. Цветовые тона расположены по окружности, а образцы цвета помещены рядом друг с другом в том же порядке, что и в спектре, так что взаимодополнительные цвета находятся на кон цах этой окружности. Между красным и синим введены образцы пур пурного цвета. В центре расположен серый. Круг разделен на 10 рав ных главных секторов, представленных в таблице. Каждый главный сектор разделен на 10 равных малых секторов. Насыщенность (хрома) показана расстоянием от центра по радиусу, который делится на 16 одинаковых частей (16-е деление имеют не все образцы). По яркости круги Манселла располагаются по высоте цилиндра. Для образцов яркости шкала квадратичная и содержит 11 кругов, но используются обычно от 1 до 9. Например, цвет 6GY4/5 означает, что цвет с интенсивностью 4 помещается в малом секторе 6 главного сектора GY и имеет хрому 5. В 1956 г. в СССР был издан атлас Е. Б. Рабкина, представляю щий собой таблицы, в которых содержатся образцы цветов, каждый в виде кружка диаметром 12 мм. Каждая таблица (их 12) характери зуется цветовым тоном, в ней 55 кружков, расположенных треуголь ником, так образуется конус, ось которого соответствует ахромата- 296 Биофизика ческим цветам. Верхний кружок соответствует наиболее чистому цвету. Название главного сектора Красный Желто-красный (оранжевый) Желтый Желто-зеленый Зеленый Обозначение Название главного сектора Обозначение R Сине-зеленый (голубой) BG YR Y GY G Синий Синевато-пурпурный Пурпурный Красновато-пурпурный В РВ р RP Кроме этих атласов и таблиц, существуют, например, атлас Тейлора, система Оствальда, атлас архитектурных цветов и др. Объективные измерения цвета производятся с помощью коло риметров, которые традиционно делятся на субъективные (пример показан на рис. 6.44, а) и объективные. В последних цвет измеряется с помощью электронного прибора, в котором используется один фо топриемник (с соответствующей спектральной энергетической ха рактеристикой фототока) с тремя сменными светофильтрами (после довательный колориметр) или тремя фотоприемниками, каждый со своим светофильтром (параллельный колориметр). Обобщенные структуры параллельного и последовательного приборов для измерения цвета (спектральных свойств объектов) по казаны на рис. 6.44. В первом приборе (рис. 6.45, а) световой поток от источника излучения ИИ направляется и формируется обычно при помощи конденсоров или других наборов оптических элементов (от световодов до лазеров). Формирование потока может производиться по спектральному составу, направленности, мощности излучения, распределению во времени и пространстве (для сканирующих прибо ров). В зависимости от конкретного назначения устройства часть из перечисленных функций оптической системы ОС1 может отсутство вать. Сформированный поток излучения поступает на объект иссле дования Об, оптические свойства которого (цвет) могут определять ся в проходящем, рассеянном или отраженном излучении. После Гпава 6. Сенсорные системы организма 297 взаимодействия с объектом исследования преобразованный световой поток собирается и формируется второй оптической системой ОС2 и направляется в канал, содержащий полупрозрачные зеркала П31 и П32 (рис. 6.44, а). Полупрозрачные зеркала делят световой поток на три части. На пути каждой из частей разделенного светового пото ка находятся светофильтры СФ1, СФ2 и СФЗ, которые выделяют ча сти световых потоков, соответствующие основным цветам. Эти со ставляющие поступают на три фотоприемника ФП1-ФПЗ, которые преобразуют лучистую энергию в электрические сигналы. Затем сиг налы фотоприемников, прошедшие через электронное устройство согласования с фотоприемниками ЭУС, поступают на вход устройст ва математической обработки электрических сигналов УМОС, кото рое, как правило, включает электронную вычислительную технику (от специального, чаще серийного программируемого микропроцес сора до универсальной ЭВМ, в том числе персональной). Для достаточно точного измерения координат цветности нужно поставить в соответствие оптические свойства Об и выходные сигна лы фотоприемников. Поэтому необходимо учитывать спектральное распределение мощности излучения ИИ, спектральные коэффициен ты пропускания оптических систем, полупрозрачных зеркал и свето фильтров, спектральные чувствительности фотоприемников и другие оптические свойства измерительного тракта. Коррекцию электриче ских сигналов уже на этом этапе проще выполнить с помощью вычис лительной техники. На выходе прибора находится устройство регист рации УР, которое предназначено для формирования электронной копии результатов измерения и записи, например на бумажном носитсле, или отображения на другом визуально воспринимаемом источ нике информации (цифровой или буквенной, чаще смешанной). В последовательном колориметре (рис. 6.44, б) часть тракта от ИИ до ОС2 включительно выполняет те же функции, что и в парал лельном. После ОС2 расположен вращающийся диск Д, на котором находятся три светофильтра СФ1-СФЗ, функции которых такие же, как и в параллельном устройстве. Вращением диска управляет уст ройство управления УУ. При вращении в измерительный тракт после довательно помещается один из светофильтров и выделяется свето вой поток, соответствующий одному из основных цветов. Поскольку 298 Биофизика потоки формируются последовательно, то необходимы только один фотоприемник ФП и устройство согласования ЭУС с одним входом. Назначение остальных частей прибора соответствует рис. 6.44, а. Связь между блоками УУ и УМОС обеспечивает передачу информа ции о номере светофильтра, находящегося в оптическом канале. Таким образом, в обоих колориметрах светофильтрами выделя ются световые потоки, соответствующие основным цветам. После дующий расчет координат цветности представляется достаточно сложной процедурой, связанной с математической обработкой элек трических сигналов. Например, на рис. 6.41, б, показан треугольник, в вершинах которого находятся основные цвета, регистрируемые фо топриемниками Rn, Gn, Вп. Преобразование измеренных координат цветности объекта в координаты стандартных колориметрических систем можно выполнить различными способами, например, графи чески, как представлено на рис. 6.41, б. Для этого необходимо провес ти прямые через точку Е из точек Gn, Вп и определить отрезки GnP2, RnP, и ВПР,, RnP|- Затем по отношениям длин отрезков определяют относительные яркости основных цветов и цвета Е относительно яр кости цвета Rn. По полученным соотношениям уже можно опреде лить координаты цветности измеряемого цвета. Эти преобразования выполняются с помощью компьютерных систем, поэтому такие коло риметры часто называют компьютерными. Рассмотрим субъективные эффекты при цветовых ощущени ях. Цветовая адаптация состоит в том, что источник яркого цвета сни жает чувствительность глаза к этому цвету и повышает чувствитель ность тех рецепторов, которые возбуждаются слабо. В результате изменяется восприятие ряда цветов и увеличивается цветовой кон траст. Например, яркий синий цвет снижает чувствительность «сине го» рецептора и делает голубой цвет зеленоватым. Если оба цвета имеют одинаковый цветовой тон, но отличаются по насыщенности, восприятие цвета также изменяется - цветовой тон менее насыщен ного цвета изменяется в сторону дополнительного цвета. Цветовая адаптация приводит к явлению константности цвета восприятие цвета известных предметов не изменяется при изменении в некоторых пределах спектрального состава источника света. На пример, красные воздушный шарик, свитер, кофта (но именно крас- Гпава 6. Сенсорные системы организма 299 ии N ОС1 П31 N Об / П32 ОС2 СФЗ / СФ1 СФ2 I I Т Т ФП1 ФП2 ФПЗ а) ИИ СФ1 Об 0С 1 0С 2 ФП "7 ~Р УУ СФ2 • ЭУС СФЗУР УМОС (ЭВМ) б) Рис. 6.44. Структуры параллельного (а) и последовательного (б) колориметров (пояснения в тексте) ные) всегда будут красными и при дневном, и при искусственном или вечернем освещении (последнее существенно отличается по спектру от дневного в связи с более длинным путем прохождения солнечных лучей через атмосферу). Так, цвет привычного предмета кажется оди наковым при разном освещении, это и есть константность воспри 300 Биофизика ятия окраски. Способность вносить коррективу непосредственно в воспринимаемый цвет, поправку на особенности данного освеще ния подтверждается многими экспериментами. Существует она у многих животных, не только у позвоночных, но и у насекомых (на пример, у пчел). Константность восприятия окраски биологически чрезвычайно полезна, поскольку этот механизм позволяет автомати чески пересчитывать воспринимаемый цвет с учетом спектрального состава каждого конкретного освещения и приводить его к какому-то одному, привычному для организма. Сложность этого процесса дока зывается тем, что константность восприятия окраски далеко не абсо лютна, она до известной степени приближает наблюдателя к опреде лению истинной окраски предмета, а иногда вообще отсутствует. Последовательный и одновременный контрасты цветов тоже основаны на цветовой адаптации и заключаются в следующем. Если после напряженного наблюдения небольшой зеленой полоски пере вести взгляд на большую белую поверхность, то в течение некоторо го времени будет видна полоска, окрашенная в цвет, дополнительный к зеленому (пурпурный) - этот эффект называется последователь ным образом. Последовательный образ тем лучше заметен и тем дольше сохраняется, чем ярче предмет, на который первоначально был обращен взгляд. Особенно хорошо он проявляется после прямо го взгляда на источник света. Если яркий предмет имел ясно выраженную окраску и опреде ленный цветовой тон, то последовательный образ виден в цвете, близком к дополнительному к цвету яркого предмета. Это явление называется последовательным цветовым контрастом. Проверить его можно, взяв квадратную пластинку, разделенную на четыре час ти, каждая из которых окрашена соответственно в зеленый, синий, желтый и красный цвета. Если в течение 15-20 с фиксировать взгляд на середине пластинки, а потом быстро заменить пластинку листом белой бумаги, то на нем будут видны четыре цветных квадрата, окра шенных в цвета, близкие к дополнительным цветам четырех квадра тов пластинки: красно-пурпурный, оранжевый, пурпурновато-синий, сине-зеленый. Цвета последовательного контраста связаны с локаль ной адаптацией колбочек сетчатки: направляя взгляд на другую точку Гпава 6. Сенсорные системы организма 301 бумаги, можно ясно видеть, что вся картина перемещается по бумаге вместе с перемещением глаз. Известно другое явление: если положить синюю полоску на большом красном фоне, а вторую такую же полоску на большом зеле ном фоне, то эти полоски будут восприниматься как поверхности раз ного цвета, причем цвет каждой из них сдвинется в сторону цвета, до полнительного к цвету фона. Это явление называется одновременным цветовым контрастом. Из него вытекает важное следствие: любой цвет в окружении дополнительного к нему кажется более насыщен ным. На фоне теплых цветов этот эффект проявляется сильнее. Если цветовой круг (рис. 6.36, а) разделить на части радиусами, соединяю щими красный и зеленые цвета, то в одной части круга будут так на зываемые теплые цвета (красно-оранжевые, желтые, желто-зеленые), а в другой - холодные (пурпурно-синие, голубые, голубовато-зеле ные). В некоторых случаях одновременный цветовой контраст якобы уничтожает цвет окрашенной поверхности, делает ее серой. Рассмотрим чувствительность глаза к изменениям цветового тона, насыщенности и особенности восприятия мелких по размеру предметов. Чувствительность глаза к изменениям цветового тона впервые была исследована в 1867-1872 гг. (Е. Мандельштам и В. Доб ровольский). Определено, что для поля зрения 2° зависимость разли чаемой пороговой разности длин волн ДА, от длины волны А. выглядит в виде графика, показанного на рис. 6.45, а. На длине волны 500600 нм (голубовато-зелено-оранжевый) глаз различает изменения преобладающей длины волны А = 1 нм. При увеличении насыщенно сти число различаемых цветовых тонов возрастает. Этот же эффект проявляется при низкой и большой яркостях (например, при яркостях дневного света, когда освещенность поверхности, перпендикулярной к солнечным лучам, составляет около 133 000 лк). Колебания чувствительности к изменениям насыщенности цве та, показанные на рис. 6.45, б, проявляются для сильно- и малонасы щенных цветов. Для средней насыщенности глаз мало чувствителен. Восприятие изменения насыщенности для желтого цвета наименьшее и составляет около 4 порогов, а чувствительность к изменению насы щенности синего и красного - около 25 порогов. 302 Биофизика 420 460 500 540 580 620 660 X, нм 400 500 а) 600 700 X, нм 6) Рис. 6.45. Зависимость пороговой чувствительности глаза к изменениям длины волны от длины волны спектрально-чистых цветов (а) и график чувствительности к изменению насыщенности цвета (б) (по оси ординат отложено число порогов п цветовосприятия) Изучение порогового блеска (освещенности на зрачке от точеч ного источника света) показало, что наблюдатель, по мере приближе ния к источнику света, вначале замечает светлую точку и только по том может опознать его цвет. На рис. 6.46 приведена зависимость порогового блеска Е, позволяющего распознать цвет огня в зависимо сти от длины волны монохроматического света, а пунктиром показан ахроматический порог для красного цвета при большом угловом зре нии. В области желто-зеленого цвета порог существенно больше, чем в области красного цвета. Этот эффект определяет повсеместный вы бор красного как запрещающего сигнала или цвета опасности. Такой выбор обусловлен еще и тем, что коротковолновое излучение сильнее 400 500 600 X, нм Рис. 6.46. Хроматический порог: график зависимости порога чувствительности от длины волны точечного источника света 303 Гпава 6. Сенсорные системы организма Y 0,8 0,7 0,6 0,5 52 Э s Г51 0 0.2 0,1 *5 5 Э \ L50 э 0,4 0,3 е 30 .5 4 0 \ 4 90 X, нм Y 4 .5 У 1/ Е 7/ 590 V / — о\. 3?0 47 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 X Рис. 6.47. Изменение цвета предметов по м ере уменьшения их размеров На диаграмме X Y показан спектральный локус с указанием увеличения длин волн спектральных цветов и направления изменения цвета предметов по м ере уменьшения их разм еров (стрелками) длинноволнового поглощается атмосферой, поэтому свет, проходя через атмосферу, в той или иной мере краснеет. Например, если заме тен огонь (но его цвет еще не различается) с расстояния 1 км, то цвет красного будет различим с расстояния 830 м, зеленого - с 650 м, а желтого - с 550 м. Изучение восприятия цвета мелких предметов показало, что все спектральные цвета могут быть согласованы только двумя (а не тремя) основными цветами, если поле зрения составляет 10'—251. Эти основные цвета являются спектральными красным (650 нм) и синим (460 нм). Для рассматриваемых условий были получены две кривые смешения г и b вместо обычных трех. На длинах волн фиолетового и желтого диапазонов глаз не различает цвета, а видит предмет серым (нейтральным) с температурой цвета Тц, которая близка к 4800°К. Лучше всего цветовой тон различается в области оранжевых и близ ких к ним красных цветов, где цветовой порог составляет около 7 нм, тогда как в других областях он доходит до 48 нм. Было обнаружено, что по мере уменьшения размеров предметов их цвета воспринимаются как смесь оранжевого и голубого цветов, что соответствует оси I на рис. 6.47. Например, цвета трех крупных 304 Биофизика предметов Ц1, Ц2 и ЦЗ, показанные на рис. 6.47, по мере уменьшения размеров вначале изменяются вдоль оси Q, приближаясь к оси I, а за тем стремятся вдоль оси I, приближаясь к ахроматическому Е. Количество воспринимаемых глазом цветов зависит от многих факторов (условий наблюдения, состояния наблюдателя и т.д.). Неко торые исследователи считают, что глаз человека различает до 17 ООО отдельных цветностей, другие - 7 300, из них в области пурпурных, красных и синих - 5 500, причем спектральных цветов - 150, и 30 на сыщенных пурпурных. По данным Мак-Адама, который является од ним из наиболее известных исследователей цветового зрения, чело век воспринимает 250 спектральных и 140 насыщенных пурпурных цветов. Если учесть различие цветов по яркостям, то глаз человека может воспринимать примерно 20 000. различных цветов, отличаю щихся по яркости, цветовому тону и насыщенности. Таблица 6.4 Сопоставление энергетических и светотехнических параметров света N Энергетические параметры света N 1 Поток излучения (лучистый поток) 1 Ф = Wit, Вт Светотехнические параметры света Световой поток Ф = / ■ш, лм, лм = кд • ср, со- телесный угол, в который распро страняется свет, лм - люмен; ср - стерадиан 2 Энергетическая сила света 2 Сила света I, кд 3 Яркость В = J/S, кд/м2 4 Освещенность Е = ФIS. лк, лк = лм/м2, лк - люкс 1э = Фэ/ш, Вт/ср - сила излучения 3 Энергетическая яркость Вэ = fyS , Вт/ср • м2 4 Энергетическая освещенность (облученность) Еэ = Фэ/S, Вт/м2 Сопоставление энергетических и светотехнических парамет ро в света (табл. 6.4). Основным энергетическим параметром света служит поток излучения - это энергия квантов света, излучаемая в единицу времени. Энергетическая сила света представляет собой поток излучения, приходящийся на единицу телесного угла в данном направлении. Под энергетической яркостью понимают энергетиче- Глава 6. Сенсорные системы организма 305 скую силу света, отнесенную к единице площади проекции поверхно сти излучающего тела на направление, перпендикулярное к распреде лению света. Энергетическая освещенность - это поток излучения, падающий на единицу площади облучаемой поверхности. Следова тельно, энергетическая яркость является характеристикой источника излучения, а энергетическая освещенность характеризует облучае мую поверхность. За основную светотехническую величину принята сила света. Ее размерность - кандела [кд]. Значение канделы принимают таким, что яркость полного излучения при температуре затвердевания Pt (2042°К или 1769°С) равна 60 кд/см2. Применявшаяся ранее междуна родная свеча составляет 1,005 кд. Производными параметрами от силы света являются яркость и световой поток. Единицей яркости служит кд/м2, т.е., 1 кд/м2 характеризует яркость источника каждого м2 излучающей поверхности, которая имеет в данном направлении силу света, равную 1 кд. В медицине широко используются и внесис темные единицы яркости света: нит, стильб (сб), апостильб (асб), ламберт (Лб): 1 нит = 1, кд/м2; 1 сб= 1, кд/см2; 1 асб = 3,18 • \0~5 сб = 0,318 нит = 10Г* Л б Яркость снега в солнечный день достигает примерно 2,5 • 104 кд/м2, а яркость земляного грунта беззвездной ночью - при мерно 2 • 10-5 кд/м2. Световой поток определяется произведением силы света на те лесный угол, в который он распределяется. Производной величиной от светового потока является освещенность, представляющая собой световой поток, приходящийся на единицу облучаемой поверхности. Б .4. Биофизика хемосенсорных систем К хемосенсорным системам человека относятся обонятельная, вкусовая, интерорецептивная. В первой из них присутствуют первичночувствующие, во вто рой - вторичночувствующие, а в интерорецептивной - свободные 20 - 9844 306 Биофизика нервные окончания и вторичночувствующие рецепторы. Естествен но, что механизмы преобразования химических стимулов в нервную импульсацию в разных хемосенсорных системах неодинаковы. Вме сте с тем неоднородность хеморецепторных механизмов проявляется не только в наличии (во вторичночувствующих рецепторах) или от сутствии (в первичночувствующих рецепторах и свободных нервных окончаниях) синаптической передачи от той структуры, где происхо дит взаимодействие химического агента с рецептором, к месту гене рации потенциала действия. Неоднородны и сами процессы взаимо действия стимулов с рецепторами. Они зависят от химической природы адекватных раздражителей хеморецепторов. Такое пред ставление развивается сторонниками теории гетерогенности хемо рецепции (В.О. Самойлов, 1983).Она формулировалась как своеоб разная альтернатива теориям, каждая из которых постулировала единообразный механизм первичного взаимодействия любого хими ческого агента с хеморецепторами. Среди них наибольшее распро странение получили адсорбционная (стереохимическая) и метаболи ческая (ферментативная) теории. Согласно первой из них химический агент взаимодействует с рецепторными молекулярными комплексами (преимущественно гликопротеидами) в мембране специальной клетки или нервного окончания. Результатом такого взаимодействия является изменение конформации мембранного рецептора, обеспечивающее его реакцию с G-белками, которая приводит к открыванию в плазмолемме рецеп тора ионных каналов. Влияние конформационных перестроек мем бранных рецепторов на изменения проницаемости ионных каналов осуществляется либо при участии различных вторичных мессендже ров (для одних стимулов), либо без них (для других стимулов). В свою очередь, потоки ионов через каналы, открывающиеся под действием раздражителей, создают рецепторные потенциалы, а они обеспечивают дальнейшее преобразование сигналов в потенциалы действия. Основные положения адсорбционной теории вкуса сформули ровал JI. Бейдлер (1961), а стереохимической теории обоняния Д. Эймур (1963). Согласно предположению первого из них адсорбция 307 Гпава 6. Сенсорные системы организма химического агента на вкусовых рецепторах определяется следую щим выражением: К= ------, C(N-Z) (6.32) где К - константа равновесия, Z - количество активных центров на плазмолемме вкусовой клетки, занятых химическим веществом, N общее количество активных центров на этой мембране, С - концент рация химического вещества (вкусового стимула). Рецепторный ответ вкусовой клетки (R ) прямо пропорциона лен количеству активных центров на её плазмолемме, занятых вкусо вым стимулом (Z), причем R достигает максимума, когда Z = N, т.е. при заполнении им всех активных центров. Результатом исследований Л. Бейдлера стало уравнение вкуса, отображающее зависимость величины реакции вкусового рецептора от концентрации химического стимула: С С R Л ™ 1 +— — . KRm (6.33) Заметим, однако, что уравнение Бейдлера подтвердилось в опытах далеко не для всех вкусовых агентов и в довольно узком диапазоне их концентраций. Не меньше недоразумений возникает при использовании аналогичных уравнений для обонятельной ре цепции. Что же касается интерорецептивных хемосенсорных систем, го применительно к ним адсорбционная теория даже не рассмат ривается. Многие исследователи (С.В. Аничков и М.Л. Беленький, 1962) объясняют механизмы трансдукции в интерорецепторах (на пример, в клетках каротидного тельца) с помощтю метаболической теории. Согласно ей под действием химических стимулов в рецеп торных клетках происходят сдвиги метаболизма, что и служит меха низмом преобразования раздражителя в электрические реакции рецептора. Существуют аналогичные взгляды и на механизмы трансдукцииво вкусовых рецепторах (ферментативная теория А. Баради и Г. Бурна, 1951). 20' 308 Биофизика 6 .4 .1 . Хеморецепция внутренней среды организма Обратимся вначале к интерорецептивным хемосенсорным сис темам. Они реагируют на изменения химического состава внутрен ней среды организма. Рассмотрим, к примеру, комплекс рефлекторных реакций, воз никающих с интерорецепторов при нарушении энергетического ба ланса организма, когда расход свободной энергии преобладает над ее восполнением. Изменения химического состава внутренней среды, являющиеся следствием этого состояния, воспринимаются хеморе цепторами, с которых возникают безусловные рефлексы, направлен ные на восстановление в тканях нормального баланса энергии. Среди них в первую очередь следует назвать дыхательные рефлексы, прояв ляющиеся в усилении внешнего дыхания, поскольку для компенсации затрат свободной энергии клетки нуждаются в усиленной доставке им кислорода. Вследствие усиления внешнего дыхания и легочного кро вообращения повышаются темпы поступления кислорода в кровь. Наряду с дыхательными и сосудодвигательными рефлексами, происходят рефлекторные сокращения селезенки, приводящие к уве личению количества эритроцитов в циркулирующей крови и тем самым способствующие лучшему транспорту кислорода от легких к тканям. Безусловно-рефлекторные связи между интерорецепторами и селезенкой осуществляются при участии мозгового вещества надпо чечников, создающего под действием интерорецептивных сигналов гиперадреналемию (повышенное содержание в крови адреналина). Вместе с влиянием на селезенку адреналин усиливает распад гликогена в печени, что приводит к гипергликемии. Эффективному извлечению тканями глюкозы из крови способствует повышенная продукция инсулина, которая также регулируется рефлекторно при возбуждении интерорецепторов. При нарушении энергетического баланса организма возникают и другие интерорецептивные безусловные рефлексы, а перечис ленные реакции были экспериментально изучены выдающимся совет ским фармакологом С.В. Аничковым и его учениками. Установлен ные ими факты были квалифицированы как одно из первых открытий, официально зарегистрированных в Советском Союзе. С.В. Аничков Гпава 6. Сенсорные системы организма 309 Рис. 6.48. Каротидный клубочек кошки. Микрофото. Съемка на МФН-5, 30-кратное увеличение стал лауреатом Ленинской премии. В течение многих лет он исследо вал функцию каротидного тельца - органа, в котором сосредоточены интерорецепторы со специальными (гломусными) клетками. Именно в каротидном тельце лучше, чем в других органах изучены механизмы химического анализа внутренней среды организма интерорецепторами. Рассмотрим их в качестве примера. Каротидное тельце млекопитающих расположено в развилке общей сонной артерии (рис. 6.48). Хеморецепторы, сосредоточенные в этом органе, предназначе ны для проточного химического анализа артериальной крови, кото рая течет по его капиллярам. В пространстве между капиллярами на ходятся специальные (гломусные) клетки, образующие синапсы с чувствительными нервными окончаниями. Следовательно, каро тидные хеморецепторы относятся к вторичночувствующим, и не трудно подметить аналогию их с вкусовыми рецепторами. На эту аналогию первым обратил внимание Б.И. Лаврентьев (1944), кото рый образно назвал каротидное тельце «органом вкуса крови». На рис. 6.49 схематически представлен механизм преобразова ния информации о химическом составе крови в каротидном хеморе цепторе. 310 Биофизика Генерация РП под действием поваренной соли происходит при неизменяющейся ионной проницаемости плазмолеммы гломусной клетки. Эта деполяризация осуществляется за счет сдвига концентра ционного градиента ионов натрия на мембране при возрастании кон центрации поваренной соли в плазме крови. Такая возможность пря мо следует из уравнения Гольдмана - Ходжкина - Катца. В ответах на поваренную соль выявлена логарифмическая зависимость ампли туды РП от концентрации стимула. Только под действием NaCl гене рируется РП с крутым передним фронтом, что является необходимым условием надежного декрементного распространения потенциала по невозбудимой мембране. Создается впечатление, будто деполяризационный сдвиг мем бранного потенциала гломусной клетки выполняет функцию кодиро вания сигнала (химического раздражителя) только в ответах на пова ренную соль. Иными словами, только под действием этого стимула на плазмолемме гломусной клетки возникает рецепторный потенци ал в настоящем значении (подлинном смысле) этого термина. При воздействии кислот и алкалоидов деполяризация гломус ной клетки развивается вяло, вследствие чего так называемый РП 1 Рис. 6.49. Схема преобразования химического стимула в потенциалы действия каротидными хеморецепторами I —действие стимула, II - рецепторный потенциал (РП), III - генераторный потенциал, I V - потенциалы дейст вия^ - стимул (химический агент), U - разност ь потенциалов, t - время, 1 - кровеносный капилляр, 2 - гломусная клетка, 3 - чувствительное нервное окончание, 4 —афферентное волокно Глава 6. Сенсорные системы организма 311 достигает амплитудного значения позже, чем возникают потенциалы действия в афферентных нервных волокнах, связанных синапсами с гломусными клетками. В 1970-е годы установили, что кислоты и алкалоиды, в отличие от поваренной соли и сахаров, вызывают в гломусных клетках очень быстрые сдвиги метаболизма. Их латентный период оказался короче, чем у генерации РП, и тем более, потенциалов действия. Интенсив ность метаболических реакций гломусных клеток имеет логарифми ческую зависимость от концентрации Н+ - ионов и исследованных алкалоидов. По-видимому, кислоты проникают из крови в гломусные клет ки и вмешиваются в их метаболизм. Особая роль при этом принадле жит буферным системам крови и карбоангидразе гломусных клеток. При закислении крови бикарбонатный буфер нейтрализует Н+-ионы с образованием С 0 2. Это вещество в силу почти абсолютной неполярности легко проникает через клеточные мембраны. В течение нескольких миллисекунд С 0 2 оказывается в цитозоле гломусных клеток. Благодаря присутствию там карбоангидразы происходит бы страя гидратация углекислого газа и образуется угольная кислота, диссоциирующая на Н+ и Н С 0 3. Так, водородные ионы проникают в гломусные клетки, «пере одевшись» в С 0 2, с тем чтобы в их цитоплазме сбросить с себя эти «одежды» и вступить во внутриклеточные реакции, итогом которых будут усиление биологического окисления, мобилизация Са2+ из кле точных депо и другие метаболические сдвиги. Накопление Са2+ в ба зальном полюсе гломусной клетки поблизости от чувствительного нервного окончания обеспечивает синаптическую передачу сигнала с рецепторной клетки на афферентное волокно, которое проводит информацию о химической стимуляции каротидного рецептора в центральную нервную систему. Алкалоиды в силу липофильности легко проникают через плазмолемму гломусной клетки и в ее цитоплазме ингибируют фосфодиэстеразу - один из ключевых ферментов системы циклического аденозин-монофосфата (цАМФ). При угнетении фосфодиэстеразы содержание цАМФ в гломусной клетке возрастает, что приводит к усилению в ней гликолиза, липолиза и других метаболических про 312 Биофизика цессов. Гломусную клетку, образно говоря, охватывает «метаболиче ская буря», которая затихает столь же быстро, как и возникает. В ходе этих метаболических процессов происходит кодирование ин формации о действии на рецепторные клетки алкалоидов. В синапти ческой передаче сигнала с гломусной клетки на афферентное волок но участвуют ионы кальция, освобождающиеся из внутриклеточных депо в области пресинапса при «метаболической буре». Са2+ способ ствует выходу медиатора в синаптическую щель. Следствием «метаболической бури» является изменение мем бранной проницаемости для ионов натрия (посредством повышения протеинкиназной активности под действием цАМФ), приводящее к деполяризации гломусной клетки. Деполяризационный сдвиг реги стрируется при ее микроэлектродном исследовании, причем его при нято называть рецепторным потенциалом (РП). По-нашему мнению, он в таком случае, в отличие от реакции на NaCl, не выполняет функ ции кодирования информации о химической стимуляции и не участ вует в передаче сигнала по гломусной клетке. Таким образом, первичные механизмы восприятия гломусными клетками разнообразных химических веществ имеют не универ сальную, а различную физико-химическую природу. Поваренная соль сдвигает мембранный потенциал рецепторной клетки за счет из менения концентрационного градиента ионов натрия (в соответствии с уравнением Гольдмана-Ходжкина-Катца). Ионы водорода прони кают в гломусные клетки и на короткое время нарушают их метабо лизм. Алкалоиды делают то же самое, но более сложным путем. Для ацетилхолина имеются специфические белки-рецепторы в плазмолемме не гломусных клеток, а нервных окончаний, сосредоточенных в каротидном теле. Так можно вкратце сформулировать теорию гете рогенности хеморецепции (В.О. Самойлов, 1983). Аналогичные ме ханизмы рецепции перечисленных выше классов химических ве ществ установлены во всех хемосенсорных системах организма. Рецепторы со специальными клетками, в которых происходят описанные выше события, присутствуют не только в специализиро ванных рецепторных органах (тельцах). Морфологи обнаружили их почти во всех тканях, причем эти клетки оказались весьма полиморф ными (рис. 6.50). Многие из них обеспечивают не хеморецепцию, Гпава 6. Сенсорные системы организма 313 Рис. 6.50. Интерорецепторы языка кошки. Цитохимическое выявление карбоангидразы по методике Курата в модификации Хаузлера. Микрофото. Съемка на фотомикроскопе «Оптон-3». Нервные волокна погружены в «кисет», образованный специальными клетками, содержащими карбоангидразу - фермент, выполняющий важную функцию в рецепции кислотного стимула. Со специальных клеток осуществляется синаптическая передача сигнала на нервную терминаль а другие виды чувствительности, но всегда и всюду с ним связана вы сокая избирательная восприимчивость определенных стимулов. За счет существования как свободных нервных окончаний, так и рецепторов с более сложной организацией любая интерорецептивная зона обладает разнопороговыми афферентными системами. Предполагают, что при возбуждении высокопороговых интерорецепторов возникают болевые ощущения, а также генерализованные ве гетативные реакции. Низкопороговые афферентные системы служат формированию более ограниченных и специализированных рефлек торных реакций (например, усиление гемопоэза в костном мозге при повышении активности мононуклеарных фагоцитов). Подобно другим рецепторным приборам, интерорецепторы являются нелинейными преобразователями информации об интен сивности раздражителя. Для многих интерорецептивных зон уста новлена логарифмическая зависимость величины афферентных отве тов и рефлекторных реакций от концентрации химических стимулов. 314 Биофизика Например, так кодируют интенсивность стимуляции каротидные хе морецепторы. Сейчас пересматривается бытовавшее прежде мнение о низкой чувствительности интерорецептивного анализатора. Полагали, будто самой чувствительной хемосенсорной системой является обоняние, второе место отдавали вкусу, думая, что интерорецепция им сильно ус тупает. Сравнивать разные хеморецепторы довольно сложно хотя бы потому, что им свойственны разные адекватные .раздражители. Напри мер, на кислоты обонятельные рецепторы реагируют слабо, вкусовые лучше, но самой высокой чувствительностью к кислотному стимулу обладают каротидные, тканевые и медуллярные хеморецепторы. Так, и каротидные хеморецепторы, и тканевые рецепторы кошки возбужда ются, когда pH крови снижается на 0,1. Никакие сенсорные системы не могут сравниться с каротидной по чувствительности к снижению на пряжения кислорода. Перечень подобныхпримеров уже сейчас до вольно велик. Словом, при внимательном рассмотрении этого вопроса выяснилось, что интерорецептивный анализатор отнюдь не такой низ кочувствительный, как считали прежде. Нередко роль интерорецептивной сигнализации ограничивают только участием в регуляции вегетативных функций. В связи с этим уместно вспомнить, что еще в 1864 г. в докторской диссертации «Хо рея, ревматизм и эндокардит» и позднее в монографии «Учение о tabes dorsalis» (1867) И.Ф. Цион писал о существовании рефлектор ных влиянийрецепторов внутренних органов на скелетные мышцы. В этом он усматривал механизм локомоторных расстройств при ряде внутренних болезней, например подергиваний скелетных мышц при глистных инвазиях. Кстати говоря, именно И.Ф. Цион в лаборатории К. Людвига открыл знаменитый депрессорный нерв и первым выска зал мысль о саморегуляции кровяного давления при помощи рефлек сов с механорецепторов дуги аорты. И.М. Сеченов утверждал, что «смутное валовое чувство общего благополучия» зависит прежде всего от сигналов, поступающих в мозг от внутренностей и мышц. Учение об интерорецепции составляет в сенсорнойфизиологии особую главу, написанную преимущественно отечественными есте ствоиспытателями. Причина приоритета заключена, по-видимому, в том, что отечественная физиология развивалась в Военно-медицин Гпава 6. Сенсорные системы организма 315 ской академии и российских университетах прежде всего в связи с потребностями клинической медицины, которая с давних пор стави ла перед учеными проблему чувствительности внутренних органов. С.П. Боткин и И.М. Сеченов без обиняков провозгласили тезис о род стве органов чувств и рецепторных приборов всех органов и тканей. Эти парадоксальные для XX века идеи, когда деятельность органов чувств считалась неотделимой от ощущений, развил И.П. Павлов. В 1894 г. он писал: «Все ткани богато снабжены рецепторами.... Эти окончания необходимо представлять как крайне разнообразные, спе цифические, подобно окончаниям нервов органов чувств, приспособ ленное каждое к своему раздражителю механического, физического или химического характера образования». Объединение закономерностей реагирования органов чувств с особенностями работы тканевых рецепторов явилось одной из важ ных предпосылок создания И.П. Павловым учения об анализаторах, в котором было преодолено мнение, будто обязательным атрибутом функционирования органов чувств служат специфические ощуще ния. Результатом анализаторной деятельности могут быть также раз нообразные рефлекторные акты, многие из которых не осознаются человеком, и «неосознаваемые эмотивные состояния» (М.И. Аствацатуров, 1936). Открытие интерорецептивных условных рефлексов укрепило позиции сторонников такого мнения. В конце ЮЗО-х годов Г.В. Гершуни доказал, что и работа органов чувств (в частности, слу ха) может не осознаваться человеком, особенно при воздействии сти мулов, подпороговых относительно ощущений, но пороговых и надпороговых относительно возбуждения рецепторов. В таком случае рецепторы являются источником безусловных рефлексов и подсоз нательных «эмотивных состояний». Учение об интерорецептивном анализаторе в том виде, как его разработали отечественные физиологи, не получило за рубежом все общего признания. Основные разногласия касаются вопроса о рас пространенности интерорецепторов. Многие зарубежные ученые поддерживают мнение К. Гейманса (К. Heymans), будто интерорецепторы сосредоточены только в отдельных участках тела человека (например, в каротидном синусе, в дуге аорты), а не во всех органах и тканях. Такому взгляду противоречат прежде всего данные морфо 316 Биофизика логического изучения интерорецепторов, обнаруженных повсемест но. При проведении же физиологических изысканий вначале каза лось, будто тканевые хеморецепторы уступают в чувствительности рецепторам сосудистых хемосенсорных зон, в частности каротид ным. Позднее было установлено, что сказанное справедливо только для некоторых раздражителей, например для снижения напряжения кислорода в крови. Для большинства стимулов чувствительность тканевых артериальных хеморецепторов примерно одинакова и, что важнее всего, есть раздражители, адекватные только для интероре цепторов определенных органов, что связано с особенностями их ме таболизма. Этот путь исследования интерорецептивного анализато ра - изучение специфичности интерорецепторов разных органов и тканей - был указан И.П. Павловым, но исследователи встали на него совсем недавно. Успехи на указанном пути важны не только для развития физиологии, но и для прогресса практической медицины. 6 .4 .2 . Первичные вкусы и их пороги Многообразие вкусовых ощущений принято сводить к че тырём основным (первичным, элементарным): соленому, кислому, го рькому и сладкому. Из их сочетаний складываются более сложные вкусовые оттенки. Это отображает модель формирования сложных вкусов - пирамида вкусов Хеннинга (рис. 6.51). В пространстве меж ду вершинами пирамиды, соответствующими четырём основным вкусам, находятся сложные вкусовые оттенки. Пороговые концентрации веществ, вызывающих у человека ти пичные вкусовые ощущения, неодинаковы. Самым низким порогом обладают агенты, имеющие вкус горечи. Он характеризуется концен трацией в 8 мкмоль • л-1 для сернокислого хинина и в 16 мкмоль ■л-1 для никотина. Для возникновения кислого вкуса концентрация ки слот в ротовой полости человека должна достигать более высоких (на 2-3 порядка) величин: для НС1 - 0,9 ммоль - л-1, а для лимонной ки слоты - 2,3 ммоль • л-1. Следует заметить, что приведенные концен трации являются пороговыми при наличии в ротовой полости слюны. Если же во рту нет слюны, то пороги кислого вкуса на 1-2 порядка выше и становятся примерно такими, какие характерны для сладких Гпава 6. Сенсорные системы организма 317 Соленое Рис. 6.51. Пирамида вирусов Хеннинга и соленых веществ (для NaCl - 10 ммоль • л-1, для сахарозы 10 ммоль • л-1, для глюкозы - 80 ммоль • л-1). Правда, пороговая кон центрация сахарина (23 мкмоль • л-1) по сравнению с глюкозой более чем на 3 порядка ниже. При стимуляции вкусовых рецепторов химическими агентами возникают не только ощущения, но также рефлекторные реакции (слюноотделительные, сосудодвигательные, дыхательные и др.), под сознательные «эмотивные состояния», вкусовые предпочтения при пищевом поведении. Наиболее низким порогом безусловных рефлек сов, вызываемых воздействием химических агентов на вкусовые ре цепторы, обладают слюноотделительные рефлекторные реакции. Для них пороговые концентрации всех типичных вкусовых агентов при мерно такие же, как и для ощущений. Для неосознаваемых вкусовых предпочтений пороги ниже. 6 .4 .3 . Вкусовые почки Вкусовые рецепторы входят в состав периферического органа вкуса, который имеет несколько названий: вкусовая почка, вкусовая рюмка, вкусовая луковица. Анатомическая номенклатура рекоменду ет последнее из них, но в данном учебном пособии будет применять ся первое. Форма вкусовой почки различна у разных представителей жи вотного мира: у земноводных - блюдцеобразная (рис. 6.52 и 6.53), а у млекопитающих она имеет форму эллипсоида и похожа на апель- 318 Биофизика Рис. 6.52. Схема клеточной организации вкусовой почки лягушки tc - вкусовые клетки, p tc —предвкусовые клетки, s - опорные клетки, g c - секретирующие опорные клетки, сс - цилиарные клетки, тс —клетки Меркеля, Ьс - базальные клетки, gbc - бокаловидные клетки, a f - афферентные волокна, рп - периневрий, ср - кровеносный капилляр стрелками указаны синапсы на вкусовых клетках Рис. 6.53. Грибовидный сосочек языка лягушки. Прижизненное окрашивание метиленовым синим, 5 • КГ3 моль, ионофорез. Витальный препарат М еж ду контуром наружной поверхности грибовидного сосочка и базальной мембраной находится вкусовая почка, поперек которой расположены вкусовые клетки. Под базальной мембраной - петля кровеносного капилляра Глава 6. Сенсорные системы организма 319 Рис. 6.54. Схема вкусовой почки млекопитающих (Taste роге) Вкусовые клетки (темные) лежат м еж ду опорными (светлыми). Базолатеральные участки вкусовых клеток контактируют с чувствительными нервными волокнами син (рис. 6.54), среди «долек» которого присутствуют рецепторные и опорные клетки. В свою очередь, вкусовые почки лежат в эпителии грибовид ных, желобоватых и листовидных сосочков, представляющих собой выпячивания слизистой оболочки ротовой полости (на дорсальной и боковых поверхностях языка, мягкого нёба), надгортанника, перед них отделов глотки и гортани. У человека половина всех вкусовых почек сосредоточена в желобоватых сосочках. Они расположены на корне языка в V-образной бороздке. Каждый такой сосочек окружен ровиком, на дне которого находятся отверстия выводных протоков Эбнеровских желез, секретирующих жидкий сок, в котором раство ряются вкусовые агенты для лучшего взаимодействия с рецептора ми. В языке человека примерно 10 (от 7 до 12) желобоватых сосоч ков, а в каждом их них около 250 вкусовых почек. Грибовидные сосочки расположены в передних 2/3 языка, они мельче желобоватых (диаметр не более 1 мм и высота до 2 мм). Биофизика 320 У человека их количество не превосходит 200. В 60% грибовидных сосочков нет вкусовых почек, а в тех, где они присутствуют, их чис ло неодинаково (максимум - 30, как и у лягушки). Листовидные со сочки расположены на боковых поверхностях языка, ближе к его корню. Их много у кролика, а у человека - очень мало, причем у взрослых людей они встречаются крайне редко. Заметим, что по мере старения человек утрачивает часть вкусовых почек. С топографией вкусовых сосочков отчасти коррелируют зоны преимущественной вкусовой чувствительности: кончик языка наибо лее чувствителен к сладким и соленым веществам, боковые поверх ности - к кислым, корень - к горечам. У рыб вкусовые почки рассредоточены по всей поверхности тела. У млекопитающих вкусовая почка расположена таким образом, что ее длинная ось, равная 50-80 мкм, перпендикулярна к поверхно сти -языка. Вкусовая почка простирается на всю толщу эпителия от базальной мембраны до свободной поверхности, где находится вку совая пора. Она заполнена гомогенной массой, образованной гликозаминогликанами и белками. Ниже вкусовой поры рецепторные и опорные клетки соедине ны между собой плотными контактами и десмосомами, благодаря чему химические агенты не проникают в глубь вкусовой почки. Они взаимодействуют с апикальным отростком рецепторной клетки, ко торый проходит через вкусовую пору, и доступны химическим веще ствам, растворенным в слюне. Б.4.4. Вкусовые клетки Рецепторные (вкусовые) клетки составляют 10% клеточного состава вкусовой почки. Еще меньше базальных клеток, а львиная доля приходится на опорные клетки. Предполагают, что многие из них представляют собой «несозревшие» рецепторные, т.е. проме жуточную форму развития вкусовых клеток, срок жизни которых составляет 250 ± 50 ч. Происходит непрерывное обновление рецеп торных клеток, которое управляется центральной нервной систс мой. При денервации языка новые рецепторные клетки не образу Гпава 6. Сенсорные системы организма 321 ются, и по мере отмирания старых животное лишается вкусовой рецепции. Длина вкусовой клетки около 50 мкм, а толщина - всего 5 6 мкм. На ее базальном полюсе сосредоточены синапсы. Их большая часть обеспечивает эфферентный контроль, так называемые трофи ческие влияния центральной нервной системы на развитие, метабо лизм и чувствительность рецепторных клеток. Вместе с тем базальный полюс вкусовой клетки содержит ти пичные элементы пресинаптической ультраструктуры - гранулы и везикулы диаметром от 40 до 60 нм. На одной рецепторной клетке находится от 1 до 6 таких пресинаптических участков, каждый из ко торых контактирует с чувствительными нервными волокнами. Пред полагается, что медиатором в таких (афферентных) синапсах вкусо вой клетки служит либо серотонин, либо норадреналин. Именно эти синапсы обеспечивают передачу информации о свойствах химиче ских (вкусовых) веществ из ротовой полости в ЦНС. Следовательно, вкусовые рецепторы по структуре и механизму трансдукции отно сятся ко вторичночувствующим. 6 .4 .5. Афферентные пути От хеморецепторов, расположенных в передних 2/3 языка, сиг налы поступают в ЦНС по афферентным волокнам, входящим в со став язычного нерва. Большую часть его волокон составляют дендриты нейронов Гассерова узла, т.е. принадлежат системе тройничного нерва. Они обеспечивают тактильную, температурную, болевую, но не вкусовую чувствительность языка. Сигналы от хеморецепторов проводят волокна так называемой барабанной струны, отходящие от языка в составе язычного нерва, а хемосенсорные волокна представляют собой дендриты нейронов не Гассерова, а коленчатого ганглия. Их центральные отростки образу ют Врисбергов нерв (его называют XIII парой черепно-мозговых нер вов) и следуют к нейронам ядра одиночного пучка, где происходит синаптическая передача на следующий нейрон (нейрон II порядка) вкусовой сенсорной системы. Это место считается первичным пере ключающим реле для афферентной импульсации от вкусовых рецепI - 9844 322 Биофизика торов. К нему поступают сигналы и от вкусовых рецепторов задней трети и корня языка. Их проводят афферентные волокна языкогло точного и блуждающего нервов. Они представляют собой дендриты и аксоны псевдоуниполярных нейронов нижнего (каменистого) узла. 6 .4 .6 . Механизмы вкусовой трансдукции Как уже говорилось, механизмы вкусовой трансдукции пыта ются объяснить с позиций унитарной адсорбционной теории вкуса (JI. Бейдлер, 1961). Однако во вкусовых клетках до сих пор выявлены мембранные рецепторы только для сладких веществ. Методом моле кулярного клонирования получен специфический для вкусовых кле ток G-белок, одна из субъединиц которого (а-гастдуцин) оказалось сходной с а-трансдуцином, выявленным в фоторецепторах. Механизм трансдукции сладкого стимула представляется сле дующим образом (рис. 6.55). Вкусовой агент связывается со сладко чувствительным мембранным рецептором в апикальном отростке вку совой клетки. Следствием адсорбционного взаимодействия является изменение конформации мембранного рецептора (сладкочувстви тельного белка), что обеспечивает его реакцию с G-белком (а-гастдуцином), вследствие чего активируется аденилатциклаза, катализирую щая превращение АТФ в цАМФ, который, в свою очередь, активирует протеинкиназу А, а она блокирует калиевые каналы в плазмолемме вкусовой клетки, за счет чего мембрана деполяризуется. Деполяризационный сдвиг мембранного потенциала на апикальном полюсе вку совой клетки является рецепторным потенциалом. Он распространя ется электротонически (с декрементом) к базальному полюсу рецепторной клетки, где инициирует синаптическую передачу на чув ствительные волокна барабанной струны. В них генерируются потен циалы действия, в паттернах которых закодирована информация о свойствах вкусового агента, которая поступает в мозг. По аналогии с рецепцией сладких веществ пытаются рассматри вать трансдукцию других типичных вкусовых агентов. Однако ни для одного из них не обнаружен специфический молекулярный рецептор в мембране вкусовой клетки. Согласно теории гетерогенности хеморе цепции (В.О. Самойлов, 1983), трансдукция химических стимулов, Гпава 6. Сенсорные системы организма 323 Рис. 6.55. Механизм трансдукции веществ, обладающих сладким вкусом 1 - сладкий рецептор; 2 - аденилатциклаза; 3 - протеинкиназа А вызывающих основные (типичные) вкусовые ощущения, осуществля ется посредством различных (неоднородных) физико-химических процессов. Сладкие вещества рецептируются так, как утверждает ад сорбционная теория вкуса (см. выше). При исследовании рецепции поваренной соли было установле но, что если ее концентрации на поверхности вкусовых клеток дости гают пороговой величины (10 ммоль ■л-1), то происходит их деполя ризация в соответствии с уравнением Гольдмана-Ходжкина-Катца за счет увеличения концентрационного градиента. При этом прони цаемость плазмолеммы не изменяется (В.О. Самойлов, А.Н. Лотарев, 1986). Следует отметить, что передний фронт деполяризационного сдвига мембранного потенциала под действием NaCl довольно кру той - величина Vmax гораздо больше, чем в ответах на другие вкусо вые агенты. Достаточно выраженная крутизна переднего фронта рецептор ного потенциала необходима для его надежного декрементного рас пространения по невозбудимой мембране вкусовой клетки. При ма лой величине Vmax электрический сигнал затухает настолько, что не может инициировать синаптическую передачу. По нашим данным, деполяризация вкусовой клетки при действии на нее адекватных кон 21" 324 Биофизика центраций кислых и горьких веществ, в отличие от NaCl, развивается слишком вяло, чтобы ее можно было считать рецепторным потенци алом, а в рецепции поваренной соли деполяризационный сдвиг мем бранного потенциала может выполнять миссию рецепторного потен циала (в функциональном смысле этого термина). Его роль заключается в том, что деполяризация пресинаптической мембраны открывает в ней кальциевые каналы. Са2+ входит из интерстиция и обеспечивает пиноцитоз медиатора. Кислоты в высоких концентрациях могут сдвигать мембран ный потенциал вкусовой клетки по тому же механизму, что и NaCl. Однако при более высоком pH он не может обеспечить рецепцию кислых веществ. С давних пор было известно, что присутствие в ро товой полости слюны понижает порог реагирования вкусовых рецеп торов на кислоту. Оказалось, что аналогичный эффект обусловливает раствор бикарбоната во рту. Эффект повышения вкусовой чувстви тельности к кислым агентам в присутствии слюны и раствора бикар боната устраняется после аппликации на язык ингибиторов карбоангидразы - фермента, катализирующего реакцию гидратации С 0 2. Гистохимическое изучение вкусовых клеток земноводных и млеко питающих выявило в них высокое содержание карбоангидразы. Совокупность приведенных фактов привела к выводу, что кис лые агенты, попав в ротовую полость, вступают в реакцию с бикар бонатами, входящими в состав слюны. Продуктом реакции является углекислый газ, который легко проникает через плазмолемму вкусо вой клетки, где гидратируется. Благодаря карбоангидразе реакция образования Н2СОэ протекает в цитозоле вкусовой клетки менее чем за 10 мс. Синтезированная угольная кислота диссоциирует на Н' и НСО“3. Ион водорода вмешивается в метаболизм рецепторной клетки, создавая эффект кратковременной гипоксии за счет избытка субстрата биологического окисления. Следствием является усиление клеточного дыхания, что было обнаружено посредством исследова ния собственной флуоресценции восстановленного никотинамидадс ниндинуклеотида НАД • Н и окисленных флавопротеидов в рецеп торном эпителии языка при действии на него кислот (В.О. Самойлов, В.Н. Соловьев, 1978). Гпава 6. Сенсорные системы организма 325 Инициация синаптической передачи с вкусовой клетки на чув ствительное волокно при рецепции кислот может быть обеспечена не рецепторным потенциалом, который открывает каналы для поступ ления Са2+ из интерстиция, а выделением ионов кальция из внутри клеточных депо (эндоплазматической сети и митохондрий) за счет ослабления кальцийаккумулирующей способности внутриклеточных мембран. Именно такая реакция вкусовых клеток на кислые агенты была обнаружена при помощи исследования вторичной флуоресцен ции комплекса: Са2+ - хлортетрациклин-биомембрана (В.О. Само йлов, Н.Г. Новикова, 1999). Под действием горсчей во вкусовых клетках происходят каче ственно такие же изменения клеточного дыхания и кальцийаккуму лирующей способности внутриклеточных мембран, как и при рецеп ции кислых агентов. К таким выводам пришли в результате прижизненной флуориметрии вкусовых клеток (В.О. Самойлов, 1983). Вместе с тем механизм воздействия горечей на клеточное ды хание и метаболизм кальция оказался иной, нежели у кислот. Веще ства, обладающие горьким вкусом, являются ингибиторами фосфодиэстеразы - фермента, уменьшающего содержание в клетке цАМФ за счёт превращения его в нециклический АМФ. Ингибирование фосфодиэстеразы даёт такой же результат, как и активация аденилатцшслазы, - повышение содержания цАМФ. В свою очередь, цАМФ активирует протеинкиназы, обеспечи вающие перенос фосфатных групп на различные вещества, которые благодаря фосфорилированию приобретают высокую реакционную способность. В клетке резко усиливаются катаболические процессы, приводящие к повышению содержания субстратов биологического окисления. Клеточное дыхание кратковременно, но резко усиливает ся, что и обнаруживается в ходе прижизненной флуориметрии НАДН и окисленных флавопротеидов в рецепторном эпителии язы ка. Повышение содержания Са2+ в пресинаптической области вкусо вой клетки может обеспечиваться не деполяризацией мембраны за счет декрементного распространения рецепторного потенциала, а выходом ионов кальция из внутриклеточных депо благодаря ослаб лению кальцийаккумулирующей способности мембран, что также удалось установить посредством флуориметрического анализа. 326 Биофизика 80 —1 40 1 * 0 100 40 20 О 100 40 20 О 100 40 20 О Б г— - {> т гг гг в ? ^ г _ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 -----► 10 Рис. 6.56. Относительные величины рецепторных потенциалов 10 вкусовых клеток лягушки в ответ на типичные вкусовые раздражители (по данным: Sato, 1969): А - хлорид натрия (500 ммоль), Б -у к с у с н а я кислота (16 ммоль), В - сахароза (250 ммоль), Г -х и н и н (4 ммоль). По оси а б с ц и ссномера исследованных клеток; по оси ординат - сдвиги мембранных потенциалов вкусовых клеток (в % к исходному уровню мембранного потенциала) Фосфодиэстераза содержится в цитозоле. Для воздействия на неё горечам необходимо проникать внутрь вкусовой клетки. Для по давляющего большинства горьких агентов это не является проблемой в силу их липофильности. Однако есть несколько гидрофильных горечей. Их рецепцию может обеспечивать небольшая мембранная фрак ция фосфодиэстеразы, обнаруженная во вкусовых клетках Р.А. Певз нер, сотрудницей лаборатории Я. А. Винникова. Наличие мембранной фракции фосфодиэстеразы является характерной особенностью вку совых рецепторов. Таким образом, рецепция качественно различных вкусовых агентов (соленых, кислых, горьких, сладких) осуществляется посред ством разнообразных физико-химических процессов. Вместе с тем механизмы восприятия одних и тех же веществ разными хеморецеп торами (вкусовыми, каротидными, медуллярными, тканевыми) оди Гпава 6. Сенсорные системы организма 327 наковы, за исключением рецепции веществ, обладающих сладким вкусом. Адсорбционный механизм присущ вкусовым клеткам и от сутствует в интерорецепторах. Они реагируют на глюкозу как осмо рецепторы. По-видимому, разнообразные механизмы хеморецепции фор мируются в развивающейся вкусовой клетке не одновременно. Кос венным аргументом в пользу такого предположения служат данные об электрических реакциях вкусовых клеток на NaCl, кислоту, го речь и сахар (рис. 6.56). На поваренную соль реагируют все вкусовые клетки, на кислоту - 90%, на горький и сладкий агенты - 60-70%. Можно полагать, что весьма примитивным механизмом рецепции NaCl вкусовая клетка обладает, едва зародившись, тогда как актив ность карбоангидразы достигает необходимого уровня чуть позже, а система цАМФ и рецепторные белки и сопряженные с ними G-белки и вторичные мессенджеры нуждаются в ёще большем времени для своего развития в течение тех 250 ± 50 часов, которые живёт вку совая клетка. Гетерогенность хеморецепторных механизмов присуща и обо нятельной рецепции. 6 .5 . Обоняние Обоняние представляет собой древний вид сенсорной рецеп ции. Не даром существует удивительное сходство в организации обонятельной системы от насекомых до позвоночных. Обонятельная система выполняет не только сенсорную функцию, но и осуществля ет модуляторно-регулирующее влияние на деятельность разнообраз ных систем мозга, поскольку через обонятельную луковицу осущест вляется связь с центральными структурами лимбической системы. 6 .5 .1 . Запахи и их классификация Стимулами в обонянии являются химические вещества, обла дающие запахами. Однако качественная их оценка представляет со бой довольно трудную задачу, так как представление о качестве за паха у человека предметное: предъявляемый стимул характеризуется 328 Биофизика как запах конкретного цветка (роза, фиалка), фруктов (яблоко, гру ша, банан), вещества (камфорный, синильный), а также по тому ощу щению, которое это пахучее вещество вызывает (приятный или от талкивающий). Попытки классифицировать известные человеку запахи, груп пируя их по сходству вызываемых ощущений, предпринимаются с XVIII века. К. Линней (1756 г.) предложил все запахи объединить в 7 классов. В 1895 г. Г. Цваардемакер свел их к 9 типам: эфирный, ароматический, цветочный (бальзамный), амбро-мускусный, чесноч ный, пригорелый, каприловый, отталкивающий, тошнотворный. Однако ощущение запаха вещества человеком зависит от мно гих обстоятельств. В частности, некоторые одоранты пахнут по-раз ному в зависимости от их концентрации, а также от физиологиче ского состояния человека. Пахучесть вещества определяется его летучестью и способностью проникать в обонятельный орган. По этому в предложенной классификации существует некоторая произ вольность, субъективность в отнесении веществ к тому или иному классу. 6 .5 .2 . Теории обоняния В настоящее время существует несколько теорий, пытающихся объяснить механизм восприятия запаха. 1. Колебательная теория. Исходной посылкой Р.Х. Райта, ав тора этой теории, было предположение, что молекулам всех пахучих веществ свойственны внутримолекулярные колебания, в результате которых они испускают электромагнитные излучения в инфракрас ной области спектра. Веществам с определенными запахами прису щи специфические спектры излучения. Эти излучения по механизму резонанса взаимодействуют с молекулами обонятельной выстилки. В результате этого первичного процесса запускается механизм гене рации потенциала действия. Однако эта теория не нашла экспери ментального подтверждения. 2. Ферментатаивная теория. Согласно мнению Д.В. Ланцета, в обонятельном эпителии присутствуют два фермента, один из кото рых устраняет старые запахи, а второй подготавливает обонятельную Гпава 6. Сенсорные системы организма 329 клетку к восприятию новых. У разных людей активность этих фер ментов различна, что и обусловливает различия в чувствительности. 3. Теории, основанные на взаимодействии молекул пахучего стимула с каротиноидами или липидами обонятельных клеток. В со ответствии с этими теориями протеинсвязываюшие каротиноиды обонятельного эпителия являются рецепторами пахучих веществ, проникающих в носовую полость. Эта теория в дальнейшем встрети ла серьезные возражения, так как в обонятельном эпителии многих позвоночных животных каротиноиды не обнаружены. 4. В настоящее время сохранила актуальность только стереохимическая теория, предложенная Д. Эймуром. Она основана на предположении о существовании семи основных «первичных» запа хов: камфорного, мускусного, цветочного, мятного , эфирного, остро го, гнилостного. Исследовав 600 пахучих веществ, Д. Эймур предло жил теорию, в которой каждому из семи типов запахов соответствует семь типов стереоспецифических «активных мест» на молекулярном рецепторе. Запах определяется формой и размером молекулы одоранта, которая имеет стереоструктуру, сходную с активным центром ре цептора. Например, молекулы с камфороподобным запахом имеют форму, близкую к сферической, с диаметром около 0,7 мкм. Такой молекуле должен соответствовать участок на рецепторе полусфери ческой формы с таким же диаметром. Эксперименты подтвердили справедливость стереохимической теории для пяти из семи первичных запахов. Ей не соответствуют острые и гнилостные запахи. Для их восприятия определенное значе ние имеет электрический заряд: у молекул веществ с острым запахом он положителен, а у веществ с гнилостным запахом - отрицателен. Вместе с тем зачастую не существует сколько-нибудь законо мерной связи запаха со структурой молекулы данного вещества. Па хучие молекулы с различной структурой могут обладать сходными запахами. Например, розетон, фенилэтанол, гераниол и пеларгол имеют розоподобный аромат. Около 300 различных веществ пахнут камфорой, около 5 различных типов молекул - мускусом. И наобо рот, имея сходную молекулярную структуру, одоранты могут пах нуть по-разному. 330 Биофизика 6 .5 .3 . Органы обоняния Органами обоняния служат обонятельная выстилка, располо женная в верхней и средней раковинах полости и пергородке носа, и трубчатый (Якобсонов) вомероназальный орган, локализованный в основании носовой перегородки, в нижнемедиальной стенке носо вой полости (рис. 6.57). Рис. 6.57. Схема проекций основной и дополнительной обонятельных систем (Новиков С.Н., 1988). Основная обонятельная система изображ ена справа, дополнительная - слева: 1 - основная обонятельная луковица, 2 - передний гиппокамп, 3 - дополнительная обонятельная луковица, 4 - переднее обонятельное ядро, 5 - обонятельный бугорок, 6 - ядро-лож е конечной полоски, 7 - обонятельная кора, 8 - ядро латерального обонятельного тракта, 9 - ядро дополнительного обонятельного тракта, 1 0 - переднее кортикальное ядро амигдалы, 11 - преоптическая область, 12 —медиальное ядро амигдалы, 13 —заднелатеральное ядро амигдалы, 14 - вентромедиальное ядро гипоталамуса, 15 - заднемедиальное кортикальное ядро амигдалы. 1 6 - энторинальная кора, 1 7 - премаммилярное ядро, 18 - вомероназальный орган, 19 - обонятельный эпителий Гпава 6. Сенсорные системы организма 331 В состав вомероназального органа входят микровиллярные рецепторные клетки, которые специализируются на восприятии фе ромонов. Сигналы из вомероназального органа, в отличие от обоня тельного эпителия, идут не в основную, а в дополнительную обоня тельную луковицу. По степени развития органа обоняния и способности воспри нимать запахи все виды животных делят на три категории: - макросматики, для которых обоняние является основным ис точником информации об окружающей среде; они обладают сильно развитым обонянием (пресмыкающиеся, млекопитающие); - микросматики, которым свойственна низкая обонятельная чувствительность (птицы, приматы, человек); - аносматики, у которых отсутствует обоняние в связи, напри мер, с переходом к водному образу жизни (дельфины). 6.5.4 . Микроструктура обонятельной выстилки Обонятельная выстилка состоит из многорядного цилиндри ческого эпителия толщиной 100-200 мкм и подлежащей соедините льной ткани. Площадь, занимаемая рецепторным эпителием, различ на у разных типов животных. Так, у человека она занимает по 2 см2 в каждой ноздре, а у собаки и свиньи - до 100 см2. В состав обонятельной выстилки входят три типа клеток: ре цепторные, опорные и базальные (рис. 6.58). Базальные клетки имеют неправильную кубовидную или кону совидную форму, не достигают поверхности обонятельного эпите лия, а распластываются над базальной мембраной, которая отделяет обонятельный эпителий от подлежащей соединительной ткани. Де лящиеся недифференцированные базальные клетки заменяют" отми рающие старые рецепторные, срок жизни которых составляет от 5 до 8 недель. Над базальными клетками располагаются рецепторные и опор ные. Последние имеют форму удлиненной рюмки. Между мембрана ми соседних опорных клеток и вершиной каждого периферического отростка обонятельной клетки имеются плотные контакты. Благода ря этому создается диффузионный барьер между наружной средой 332 Биофизика Обонятельная ресничка Обонятельные булавы Дендрит Опорные клетки Микроворсинки Обонятельная рецепторная клетка Аксон Шванновская клетка Базальная мембрана Соединительная ткань собственного слоя слизистой оболочки Fila olfactoria Вена Боуменова железа Миелиновое волокно тройничного нерва Рис. 6.58. Микроструктурная организация обонятельной выстилки и межклеточным пространством. Между опорными и рецепторными клетками методами in situ гибридизации и иммуногистохимии обна ружены щелевые контакты, которые играют важную роль в перера ботке информации в обонятельном эпителии. В обонятельных клет ках они вовлекаются в координирующую функцию и передачу ионов и метаболитов в момент роста, дифференцировки клеток и перера ботки сигнала. Гпава 6. Сенсорные системы организма 333 Щелевые контакты между опорными клетками участвуют в поддержании ионного состава интерстициальной жидкости, кото рая омывает их и рецепторные клетки, а также обеспечивают удале ние избыточных внеклеточных ионов калия в пероид высокой актив ности обонятельных клеток. Опорные клетки обонятельного эпителия не имеют жгутиков и снабжены микроворсинками длиной от 1,5 до 3 мкм. В состав этих клеток входят крупные секреторные гранулы, которые участ вуют в образовании обонятельной слизи. Опорные клетки являются не только поддерживающим аппаратом, но и выполняют трофиче скую и секреторную функции, а также участвуют в удалении из обонятельного эпителия дегенерировавших обонятельных клеток. Таким образом, опорные клетки обладают полифункциональными свойствами. У всех наземных позвоночных в соединительнотканном слое располагаются Боуменовы железы, выводные протоки которых про низывают ольфакторный эпителий. Благодаря им на поверхность обо нятельной выстилки выделяется белково-полисахаридный секрет, участвующий в формировании обонятельной слизи. Роль секрета этих желез важна для функционирования обонятельных клеток, поскольку в нем растворяются и диффундируют молекулы пахучих веществ, связываются и удаляются прореагировавшие молекулы. Благодаря наличию этого секрета на поверхности обонятельного эпителия под держивается определенный ионный состав, в частности в секрете Боуменовых желез содержится много натрия. Слизь ведет себя как структурированный матрикс и играет роль фактора, определяющего интенсивность, крутизну нарастания и в не которой степени качество запаха. Она представляет собой сложный многокомпонентный раствор биополимеров, обладающий высокой степенью упорядоченности своей структуры. Это полиферментная сис тема, обогащенная одновалентными ионами, в состав которой входят белки, гидролитические ферменты, кислые и нейтральные мукополисахариды и гликопротеиды. Важным компонентом слизи являются одорантсвязывающие белки (ОСБ). У всех млекопитающих все известные на сегодняшний день ОСБ относятся к большому семейству липокалинов. Они явля 334 Биофизика ются водорастворимыми, а не мембраносвязанными белками, кото рые обратимо связывают несколько типов одорантов и выполняют функцию неспецифических переносчиков пахучих молекул. В обоня тельной слизи обнаружено несколько различных одорантсвязывающих белков. У млекопитающих они связываются с одорантами се лективно и могут служить фильтрами до того, как пахучий стимул достигнет рецепторов. ОСБ образуют комплексы с одорантами, кото рые могут взаимодействовать с молекулярными рецепторами в моле куле пахучего вещества. Считают, что ОСБ инактивируют одоранты, чтобы предотвратить десенситизацию и обеспечить восприятие но вого стимула. Одорантсвязывающим белкам приписывают различ ные механизмы инактивации одорантов, включая удаление избытка пахучих молекул из обонятельной слизи. В обонятельной выстилке выявлены и локализованы как ре цепторные, так и нерецепторные белки. К ним относятся обонятель ный маркерный белок, фермент карнозинсинтетаза, карнозин, пиразинсвязываюший белок, анизолсвязывающий белок и другие. Таким образом, слизевой секрет играет активную роль в периферических процессах обонятельной рецепции. В соединительнотканном слое слизистой носа проходят веточ ки безмякотного обонятельного нерва, а также мякотные и безмякотные волокна тройничного нерва. В составе этого нерва в обоня тельную выстилку носа проникают волокна вегетативной нервной системы, оканчивающиеся на кровеносных сосудах, Боуменовых же лезах и в основном веществе соединительной ткани. 6 .5 .5 . Строение обонятельных клеток Клетками, непосредственно взаимодействующими с пахучим стимулом, являются рецепторные (обонятельные) клетки. Они явля ются первично чувствующими рецепторами и в среднем живут от 5 до 8 недель, после чего замещаются новыми. Тела их имеют веретенооб разную форму с поперечным диаметром 5-8 мкм. От верхнего полюса биполярной клетки отходит периферический отросток (дендрит) диа метром 1-3 мкм. Он простирается до апикальной поверхности ольфакторного эпителия и имеет длину от 20 до 90 мкм у различных жи Гпава 6. Сенсорные системы организма 335 вотных. От нижнего полюса начинается тонкий аксон толщиной 0 ,1 0,3 мкм, который не разветвляясь, тянется в обонятельную луковицу переднего мозга. Аксоны обонятельных клеток образуют примерно 20 тонких веточек, которые в совокупности составляют обонятельный нерв, непосредственно связывающий рецепторные клетки с митраль ными клетками обонятельной луковицы. Количество обонятельных клеток в ольфакторном эпителии различно у разных животных. Например, у собаки и свиньи их по 225 млн, тогда как у человека - только 10 млн. Периферический отросток на всем протяжении содержит мик ротрубочки, митохондрии, аппарат Гольджи и вакуоли. Часть обоня тельных клеток на своем апикальном полюсе покрыта микроворсин ками. Таких клеток в обонятельном эпителии свиньи насчитывается до 250 000 на 1 мм2 эпителия, а у человека - около 30 000. У боль шинства обонятельных клеток на вершине, обращенной к апикальной поверхности эпителия, образуется утолщение - булава, увенчанная жгутиками. Поэтому рецепторные клетки как низших, так и высших позвоночных относятся к рецепторам жгутикового типа. Булава осо бенно богата митохондриями. Она представляет собой один из важ нейших метаболических центров обонятельного рецептора. Различают три разновидности жгутиков: 1) короткие (2030 мкм в длину) и тонкие; 2) средние - такой же длины, но более толстые, поскольку их общая плазмолемма объединяет от 2 до 8 жгу тиков; 3) длинные (50-200 мкм), утончающиеся к вершине. Количе ство обонятельных жгутиков на одной рецепторной клетке различно и может достигать 150 (например, у собак). Все три разновидности жгутиков содержат набор из 9 x 2 + 2 микротрубочек, которые начинаются в цитоплазме булавы от базаль ного тельца, снабженного ножкой, спицеобразными выростами и по перечно-исчерченным корешком. Эти ультраструктуры характерны для всех локомоторных ресничек и жгутиков и обеспечивают их дви жения. Тубулярный цитоскелет расположен в проксимальных отде лах жгутиков, тогда как их дистальные участки лишены тубулина и динеина, вследствие чего пассивно следуют за проксимальным от делом. В отсутствие одорантов обонятельные жгутики совершают не упорядоченные асинхронные, изгибательные, волнообразные и ворон 336 Биофизика кообразные движения. Двигательная активность их обеспечивается энергией АТФ. Генератор движений сосредоточен в проксимальном отделе жгутика, а дистальный участок бьется наподобие хлыста в руке погонщика. С цилиарной подвижностью связывают способность обонятель ных клеток воспринимать пахучий стимул. По мнению А.А. Брон штейна (1966), цилиарные аппараты обонятельных клеток являются специализированными антеннами, обеспечивающими активный по иск и обнаружение одорантов, растворенных в слизи. Обнаружив одорант, жгутик начинает совершать упорядоченные движения навстречу одоранту. Для этого в дистальных участках обонятельных жгутиков под действием одорантов, как полагают, инициируется полимериза ция актина, т.е. построение актиновых нитей (Г-актина) из G-актина, в результате чего они приобретают самостоятельное упорядоченное движение. По актиновым нитям («цитокостям») перемещаются моле кулы миозина, что и обеспечивает упорядоченные движения жгутика в направлении одоранта. Обонятельным жгутикам принадлежит основная роль в рецеп ции одорантов. При их удалении исчезает электроольфактограмма, которая восстанавливается после регенерации. Именно в их дисталь ных участках сосредоточены рецепторные молекулы и другие ком поненты механизма трансдукции обонятельного стимула. 6.5.G . Механизм обонятельной трансдукции Восприятие пахучего стимула начинается с взаимодействия его молекулы с мембранным рецептором обонятельной клетки. Ме тодами биохимического анализа показано, что этот рецептор локали зован в жгутиковой мембране и принадлежит большому семейству белков, сопряженных с G-белками, содержащих домены, семь раз пронизывающих плазмолемму. В обонятельном эпителии методом клонирования выделена специфическая для него изоформа аденилатциклазы III. Ее иденти фицировали с помощью моноклональных антител и показали, что она принадлежит семейству G-белокчувствительных аденилатциклаз. В ходе эмбриогенеза аденилатциклаза III никогда не распростра Гпава 6. Сенсорные системы организма 337 няется ниже слоя обонятельных жгутиков, будучи сосредоточенной преимущественно в их дистальных отделах. Вторым ключевым ферментом, участвующим в обонятельной трансдукции, является специфическая фосфолипаза С, которая лока лизуется в жгутиках и вовлекается в фосфоинозитидный путь пере дачи информации в клетке. В обонятельном эпителии обнаружен и специфический для него ГТФ-связывающий белок (Go//). По своим свойствам он сходен со стимуляторными G-белками других тканей, но является особой их разновидностью, характерной для обонятельного эпителия. Его свой ства обусловливаются уникальной для ольфакторного G-протеина конфигурацией ГТФ-связывающего сайта. Таким образом, в обонятельной трансдукции возбуждение ре цепторной молекулы передается на аденилатциклазу III или фосфолипазу С посредством чувствительного к холерному токсину стимуляторного специфического ольфакторного ГТФ-связывающего протеина (Go/y). Раньше полагали, будто внутриклеточной сигнальной системой, обеспечивающей трансдукцию сигналов об одорантах, служит система цАМФ (аденилатциклаза III), тогда как фосфоинозитидная система, включающая фосфолипазу С, осуществляет транс дукцию феромонов. Недавно доказано (Е.В. Бигдай, 2004), что не только обе названные сигнальные системы, но также и тирозинкиназная внутриклеточная сигнальная система участвует в трансдукции одорантов, но для разных пахучих веществ комбинации систем, осу ществляющих обонятельную трансдукцию, различны (рис. 6.59). Внутриклеточные сигнальные системы передают сигнал об одорантах на кальциевые каналы, которые находятся в плазмолемме обонятельных жгутиков и открываются под действием цАМФ и 1, 4, 5-трифосфоинозитидов. По этим каналам из межклеточной среды в цитозоль обонятельной клетки могут поступать как Са2+, так и Na"\ Таких каналов нет в мембранах микровилл опорных клеток и ресни чек мерцательного эпителия. Лучше изучены циклонуклеотидзависимые ионные каналы. Они идентифицированы и охарактеризованы. Плотность этих каналов в мембране жгутиков обонятельных клеток тритона составляет 920 каналов на 1 мм2, а у жабы - 2400 каналов на 1 мм2, тогда как в дендрите и соме выявлено всего 2 канала на 1 мм2 22 - 9 8 4 4 338 Биофизике Са» Ультреструггу] организация обонятельного эпителия иле кош тающих Рис. 6.59. Механизм обонятельной трансдукции с участием аденилатцикпазного (а) и фосфоинузитидного (б) путей у тритона и 6 каналов на 1 мм2 у жабы. В отсутствие одорантов по давляющее большинство цАМФ-регулируемых каналов закрыто и поток катионов в рецепторные клетки невелик. Им обеспечивается стабилизация мембранного потенциала на обонятельных жгутиках. Одорант вступает во взаимодействие с рецепторными молеку лами мембраны жгутиков. Сопряженные с рецепторными молекула ми G-белки (Go//) активируют внутриклеточные сигнальные системы, что приводит к открытию цАМФ- или 1Р3- регулируемых кальциевых каналов. Входящие катионные токи деполяризуют мембрану обоня тельной клетки. Деполяризационный сдвиг мембранного потенциала является рецепторным потенциалом, который электротонически (с декрементом) распространяется со скоростью электромагнитной волны по обонятельной клетке - от жгутика до аксона, где иницииру ет возникновение потенциалов действия (нервных импульсов), сле дующих по веточкам обонятельного нерва к обонятельной луковице. Обонятельные клетки существенно различаются по степени их специфичности к стимулу. Данные последних лет показывают, что Гпава 6. Сенсорные системы организма 339 в одной обонятельной клетке экспрессируется один обонятельный рецептор для данного одоранта, поскольку каждая рецепторная клет ка содержит ген только одного обонятельного рецептора. Р. Аксель и J1. Бак, лауреаты Нобелевской премии 2004 г., открыли семейство генов (более 1000), ответственных за обоняние. Оказалось, что каж дый ген из ста в организме млекопитающих участвует в синтезе бел ков, осуществляющих обоняние. Все обонятельные рецепторы при надлежат к классу так называемых семидоменных рецепторов (как и родопсин), т.е. белковый комплекс рецепторной молекулы семь раз пронизывает плазмолемму жгутика. Имеется определенная топографическая организация обоняте льной выстилки в ее реагировании на разные классы одорантов. У млекопитающих гены рецептора к одоранту экспрессируются в од ной из четырех основных зон в обонятельном эпителии, и экспрессия одиночного гена рассеивается в пределах определенной зоны случай но. Таким образом, на поверхности обонятельного эпителия рецеп торные клетки образуют «пространственные карты запахов». В каж дой из зон ольфакторный рецептор может взаимодействовать со своим специфическим лигандом, а клетки объединяются в группы, имеющие рецепторы со сходной лигандной специфичностью. Обонятельным рецепторам свойственна неоднородность меха низма трансдукции сигналов об одорантах разных классов. Как уже говорилось, для веществ, обладающих острым (аммиак) и гнилост ным (меркаптаны) запахами, специфических обонятельных рецепто ров не обнаружено. В их трансдукцию не вовлекаются и сигнальные системы обонятельных клеток. Эти одоранты проникают через плаз молемму в цитоплазму рецепторных клеток и действуют непосредст венно на митохондрии. Для одорантов, относящихся к пяти другим классам, выявлены мембранные рецепторы, которые конгруэнтны по своей стереоструктуре соответствующему одоранту, т.е. пахучие ве щества подходят к ним, как ключ к замку (рис. 6.60). Вместе с тем для этих пяти классов одорантов, воспринимае мых молекулярными рецепторами, присущи разные внутриклеточ ные сигнальные системы. Трансдукция амилового спирта (прогорк лый запах), цинеола (эвкалиптовый запах) и амилацетата (фруктовый запах) осуществляется системой цАМФ, причем аденилатциклаза III 22* 340 Биофизика Камфорный Мускусный Цветочный т Острый Рис. 6.60. Модели молекул пахучих веществ и соответствующие им активные центры рецепторов активируется амиловым спиртом и амиалцетатом через G-белок, а цинеолом - через тирозинкиназу. В обонятельной трансдукции кам форы и ванилина (цветочный запах) вовлекается фосфоинозитидный 341 Гпава 6. Сенсорные системы организма путь, причем фосфолипаза С активируется ванилином через G-белок, а камфора - через тирозинкиназу. Заметим, что камфора и цинеол, яв ляющиеся монотерпенами, включают одинаковый механизм преоб разования сигналов - активируют тирозинкиназу, тогда как после дующие звенья трансдукции для этих веществ, обладающих разными запахами, различны: для камфоры - фосфолипаза С, а для цинеола адинилатциклаза III. Следовательно, первичные механизмы рецеп ции одорантов, относящихся к разным классам, гетерогенны. В обонятельной луковице осуществляется глутаматэргическая синаптическая передача с аксонов терминалей на дентриты обонятель ных клеток. Она выполняет роль релейной структуры, в которой про исходит первая стадия обработки обонятельной информации. Область синаптического контакта формирует гломерулярную структуру, в ко торую проецируется аксон от обонятельной клетки, экспрессирующей рецептор к данному одоранту. Иными словами, нейроны обонятельной луковицы образуют своего рода матрицу гломерул (рис. 6.61), а кон- Обонятельный nvKoenua Рис. 6.61. Топография рецепторных молекул в обонятельной выстилке и проекции аксонов в соответствующие гломерулы обонятельной луковицы 342 Биофизика кретный запах воспринимается мозгом как возбуждение определенной комбинации нейронов в обонятельной луковице. В Нобелевской речи Р. Аксель утверждал: «Мозг как будто говорит: «Я наблюдаю актив ность в нейронах NN 1,15, 54 - это соответствует возбуждению рецеп торов №№ 1,15, 54, а значит, пахнет жасмином». Таким образом, в гломерулах сосредоточена информация о свойствах отдельных молекул пахучих веществ, которая локализу ется в определенном месте обонятельной луковицы. Это классиче ский пример кодирования качества раздражителя по принципу мече ной линии. 6 .5 .7 . Чувствительность органов обоняния Высокая чувствительность к запахам - это важное свойство ор ганов обоняния, которое характеризуется абсолютным порогом. Он определяется минимальной концентрацией пахучего вещества, вы зывающей обонятельное ощущение. Многие рыбы ощущают пахучее вещество при его концентра ции 10~п мг/мл. Примерами пахучих веществ с низкими пороговыми концентрациями для человека могут служить скатол (4 • 10-7 мг/см3) и этилмеркаптан (4,4 • 10~8 мг/см3). Это означает, что для возбужде ния одной обонятельной клетки этим гнилостным запахом требуется от одной до восьми молекул в одном кубическом сантиметре воздуха. При очень малых концентрациях обонятельные ощущения не специфичны: человек не определяет качество одоранта. Поэтому раз личают порог обнаружения и разпознавания запаха. Пороги распо знавания запахов лежат выше порогов обнаружения. 6.5 .8. Техническое моделирование обоняния Технические устройства, предназначенные для химического анализа, значительно уступают по чувствительности обонятельной сенсорной системе человека и животных. Однако в последнее время наметился путь к созданию высокочувствительного химического анализатора, который получил название электронного носа. Он скон струирован на базе растрового атомно-силового микроскопа и пред Гпава 6. Сенсорные системы организма 343 ставляет собой одно из выдающихся достижений современной нано технологии. Конструктивным элементом электронного носа служат кантилеверы - упругие балочки толщиной в десятые - сотые доли микро на. Один конец такой балочки закреплен, а второй может свободно колебаться, поэтому конструкция напоминает расческу. На каждый кантилевер наносится тончайший слой полимера, способного селек тивно адсорбировать на себе молекулы только одного вещества, на пример, определенного одоранта. При оседании одоранта балочка слегка изгибается, и эти ни чтожные колебания исследуют посредством растрового атомно-си лового микроскопа. Тот или иной запах дает свою специфическую спектральную картину. В «расческе» нет двух кантилеверов, покры тых одним и тем же полимером. Поэтому набор кантилеверов в дан ной «расческе» реагирует как на несколько простых одорантов, так и на сложные запахи. К сожалению, прибор узнает и различает только те запахи, кото рые ему уже знакомы. В этом видит главный недостаток электронного носа основатель направления сенсорной техники в IBM Кристофер Гербер. Еще более пессимистично оценил способности электронного носа Вольфганг Вальстер, руководитель германского исследователь ского центра по созданию искусственного интеллекта. По его мнению машины не могут достичь способности человека, так как компьютер бессилен осуществить сложный анализ нетипичных процессов; пре имущество человека и животных перед машиной состоит в том, что они при анализе сигналов внешней среды использут все органы чувств одновременно. До сих пор не найден механизм автоматического распознавания сложных разномодальных сигналов, поступающих в мозг по разным сенсорным входам. Проблему взаимодействия сенсорных систем (анализаторов) сформулировал и начал разрабатывать в 1930-е годы выдающийся отечественный физиолог JI.A. Орбели. На многие во просы, поставленные им, ответил его ученик А.С. Мозжухин со свои ми сотрудниками. Однако физиологические и биофизические меха низмы взаимодействия сенсорных систем еще выяснены. Глава 7. ИНФОРМАЦИЯ И РЕГУЛИРОВАНИЕ В БИОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ 7 .1 . Информация и живой организм 7 .1 .1 . Элементы теории информации Теория информации представляет собой совокупность матема тических концепций, которые позволяют оценить количество инфор мации, содержащейся в том или ином сообщении, определить пропу скную способность каналов связи, используемых для передачи сигналов, количественно сопоставить эффективность применяемых систем кодирования для выбора лучшей из них. Эта теория возникла в ходе решения важнейших практических задач электросвязи матема тическими методами, и первый фундаментальный труд К. Шеннона, основоположника теории информации, увидел свет под названием «Математическая теория связи» (1948). В статье предлагался принци пиально новый способ обобщения человеческого опыта в передаче сообщений. Теория информации - математическая концепция, но ее основные идеи можно выразить без использования сложного матема тического аппарата. В обиходе широко употребляется слово «информация», причём в разных значениях. Зачастую его адресуют непосредственно сооб щению, порой даже отождествляют сообщение и информацию. В на учном же определении информации должна содержаться характери стика не сообщения как такового, а процесса взаимодействия между сообщением и его получателем. Поэтому информативность сообще ния нельзя оценивать количеством единиц носителя информации (на пример, числом слов в докладе или букв в книге). Информативно только такое сообщение, которое приносит что-то неизвестное ранее, в чем нуждается тот, кому оно адресовано. С учётом этого К. Шеннон Гпава 7. Информация и регулирование в биологических системах 345 предложил определение информации, на котором построена теория информации. Информация, содержащаяся в сообщении, есть мера того ко личества неонределённости, которое ликвидируется после получе ния данного сообщения. Из определения следует, что количество информации, получен ной человеком, следует оценивать степенью уменьшения неопре деленности в его сведениях об информируемом событии. В свою оче редь, неопределенность того или иного результата разрешения неопределённой ситуации тем больше, чем меньше его вероятность. Заметим, что в теории информации принято различать априорную (рх) и апостериорную (р2) вероятности. Априорной называют такую веро ятность сообщаемого события, которой оно характеризовалось до по лучения сообщения. Вероятность события, установившаяся после по лучения сообщения о нем, называется апостериорной вероятностью. Если содержание получаемого сообщения было заведомо точно известно его адресату, то априорная вероятность события, информа цию о котором несло сообщение, равнялась единице (р} = 1), и такое сообщение абсолютно не информативно (J = 0). Нулевой считается избыточная и повторная информация, а также всё, что содержится в сообщениях, не имеющих отношения к достижению цели, ради ко торой адресат стремился получить информацию. Ценность информа ции принимает отрицательное значение, когда она имее^ характер де зинформации. Прир, < 1 сообщение содержит информацию, но только при ус ловии, что после его получения повысится вероятность события, о котором информируют, т.е. когда апостериорная вероятность ста нет больше априорной (р2 > р {). Например, до получения сообщения вероятность события, о котором нас информируют, равнялась 1/8 (рх = 1/8), а после приёма сообщения значение вероятности достигло 1/2 (р2 = 1/2). В таком случае сообщение повысило вероятность гря дущего события и уменьшило неопределённость в наших знаниях о нём. Следовательно, сообщение оказалось информативным. Ин формация максимальна, если при данной априорной вероятности, меньшей единицы, апостериорная вероятность (после получения со общения) достигает единицы. 346 Биофизика Понятия максимума и минимума информации определяются не столько абсолютными значениями р, и р 2, сколько их соотношением, которое само по себе может служить мерой информативности сооб щения. Однако для количественной оценки информационных про цессов удобнее пользоваться логарифмом отношения p-Jpv Основа ние логарифмов выбирается в соответствии с выбором единицы измерения информации и зависит от структуры линии связи (инфор мационного канала). Нередко человек приобретает информацию пу тем совершения последовательных шагов двоичного выбора, т.е. вы бирает одно из двух возможных решений, давая ответы «да» или «нет». Аналогичный путь реализуется в технике при помощи двухпо зиционных переключателей (реле или мультивибраторов): в одном положении они пропускают сигнал («да»), в другом - блокируют его передачу («нет»). Такому переключателю можно уподобить нейрон, .когда он проводит нервные импульсы. Если в результате суммирова ния всех постсинаптических потенциалов устанавливается пороговая или надпороговая деполяризация мембраны в начальном участке ак сона (аксонном холмике), возникает импульсация, направляющаяся к другому нейрону или к исполнительному органу, неся сигнал для их возбуждения («да»). Когда же интегрирование постсинаптических потенциалов приводит к гиперполяризации или подпороговой депо ляризации мембраны аксонного холмика, передача импульсации бло кируется («нет»). Рассмотренные системы передачи сообщений называются дво ичными. В них информация оценивается двоичным логарифмом от ношения Рт/р{. J - log2 — . Если сообщение исчерпывает всю неопРх ределённость ситуации, то р 2 = 1. Именно такие сообщения наиболее информативны (при данном р,). Для них упрощаегся расчёт количе ства принесенной информации: J = log2 — -- - log2 р , . Рх При использовании логарифмов с основанием, равным двум, единицей измерения информации служит бит. Этот термин про изошёл от английского словосочетания binary digit - двоичная едини ца (от первого слова взяты две первые буквы, от второго - одна по Глава 7. Информация и регулирование в биологических системах 347 следняя). 1 бит количественно характеризует такую информацию, которая полностью ликвидирует пеопределённость выбора меж ду двумя равновероятными возможностями, т.е. в условиях, когда р х = = 1/2, а/72 = 1. Для уяснения смысла введенных понятий обратимся к приме рам. Предположим, что идем по дороге к определённой цели. В ка ком-то месте дорога делится на две, расходящиеся в разные стороны, причём мы не знаем, какая из них ведет к цели. Очевидно, априорная вероятность правильного выбора составляет 1/2 (рх = 1/2). Если по встречается знающий человек и точно укажет дальнейший путь к цели нашего путешествия, то апостериорная вероятность достиже ния цели станет равной единице (р2 = 1). Информативность такого сообщения J ——log2 р х = - l o g , ^ = 1бит. Может случиться так, что повстречавшийся человек на вопрос о пути к цели нашего путешествия даст такой ответ: «Не знаю, но этот путь не приведет вас к цели» - и укажет на одну из двух расхо дящихся дорог. Информативность подобного сообщения также оце нивается в 1 бит, поскольку и оно при априорной вероятности, рав ной 1/2, приводит к р 2 = 1. Следовательно, независимо от конкретной формы ответа, любое сообщение, полностью устраняющее неопределённость выбора из двух равновероятных возможностей, содержит информацию в 1 бит. % Предположим теперь, что дорога, по которой мы шли, раздели лась не на 2, а на 8 путей, уходящих в разные стороны. В таком слу чае априорная вероятность правильного выбора пути составляет 1/8 (рх = 1/8) и, следовательно, сообщение, определённо указывающее путь к цели и тем самым позволяющее сделать правильный выбор одной из восьми дорог, приносит нам больше информации по срав нению с теми же словами в первом примере. Выразим эту информа цию в битах: J = - l o g 2 - = 3 бит. Таким образом, одна и та же фраза 8 в разных ситуациях (при неодинаковых значениях />,), заключает в себе разное количество информации. Если в обоих случаях р 2 = 1, то эта фраза во второй ситуации оказывается в 3 раза информатив нее, чем в первой. 348 Биофизика Какова же во второй ситуации информативность другого отве та, который отвергает одну из дорог, не приводящих нас к цели (когда неопределенность выбора только уменьшается, но не устраняется)? Обратимся к величинам априорной и апостериорной вероятностей: р , = 7/8,р 2 = 6/7. Отсюда J = log, = log, — = 0,03 бит. 2 7-7 2 49 Итак, в первой ситуации (при выборе одной из двух дорог) раз ные по содержанию сообщения одинаково информативны - каждое приносит информацию в 1 бит. При выборе одного из восьми путей информативность двух разных сообщений существенно различна: указание на путь, приводящий к цели, содержит информацию в 3 бита, тогда как устранение одной из возможных ошибок - только 0,03 бита. Следовательно, разница в содержании информации дости гает двух порядков. Важным понятием теории информации является сообщение. Так называется любая функция от времени a(t), описывающая харак тер сигналов, приходящих к получателю информации. В системах электросвязи сообщение заключается в определённой форме элект рического тока (или напряжения) на выходе кодирующего устройст ва. В нервных каналах связи сообщениями служат последователь ности нервных импульсов, в которых отображены сигналы о среде или состоянии организма. Для оценки эффективности работы канала связи принято рас считывать среднее количество информации, приходящееся на одно сообщение, передаваемое каналом за определённое время. Среднее количество информации, приходящееся на одно сообщение, названо К. Шенноном информационной энтропией (Я ). Для расчёта инфор мационной энтропии предложена следующая формула: 1=М Н = ~ ] р { х ) •lo g 2 p { x ) d x = ~ Y J P i ■log2 р ,, 1=1 где М - количество сообщений, переданных данным каналом связи, Pi —априорные вероятности каждого из М сообщений (в данном случае апостериорная вероятность принимается равной единице). Гпава 7. Информация и регулирование в биологических системах 349 Информационная энтропия возрастает по мере того, как увели чивается количество сообщений (М), из которых получатель инфор мации делает выбор. Наивысшее из всех возможных значений энтро пии сообщения, переданного по каналу связи, называется пропускной способностью этого канала. Зная величину информационной энтро пии источника сообщений, можно найти минимальное значение среднего количества двоичных чисел на каждое сообщение, доста точного для надёжного кодирования сигналов, создаваемых данным источником. 7 .1 .2. Примеры применения теории информации к анализу процессов передачи информации в нервных каналах связи Определим, как зависит среднее количество информации на символ (сигнальный признак в нервной импульсации) от того, какие сигнальные признаки различает нейрон, принимающий сообщения в форме нервных импульсов. Допустим, к нейрону поступают с равной частотой 8 сообще ний - 8 определённых последовательностей нервных импульсов (рис. 7.1). Заметим, что в импульсации содержатся «пачки» импуль сов двух типов - короткие (по 3 импульса) и длинные (по 5 импуль сов), причём длинные по-разному распределены среди коротких: в первом сообщении (I) нет длинных пачек, во втором, третьем, четвёртом (2, 3, 4) - одна длинная «пачка» приходится на две корот ких (во втором сообщении она предшествует коротким, в третьем находится между ними, в четвертом - следует после них), в пятом, шестом, седьмом (5, 6, 7) сообщениях содержатся по две длинных и одной короткой «пачке», а в восьмом (8) - присутствуют только длинные «пачки». Если нейрон, принимающий эту импульсацию, способен раз личать «пачки» по их длительности, то он может по-разному реаги ровать на каждую из восьми последовательностей нервных импуль сов. Вероятность поступления к нему каждого из таких сообщений равна 1/8 (р, = 1/8). Для упрощения расчёта примем апостериорную вероятность равной единице (р2 = 1). Тогда приход к нейрону любой 350 Биофизика Рис. 7.1. Последовательности нервных импульсов (иллюстрация к примеру расчёта информационной энтропии) из последовательностей импульсов, изображенных на рис. 7.1, даёт ему 3 бита информации. Понятно, что в таком случае информационная энтропия соi= M 1 1 / | J \ ставляет 3 бита на сообщение: Н - - ] Г - ■log, - = -8 - - - l o g 2 , =i 8 8 у8 8 J - = 3 бит • (сообщение)-1. Если же нейрон потеряет способность реагировать на короткие «пачки», то для него информативными будут только длинные. Такой нейрон станет работать как счетчик числа длинных «пачек». В тех же последовательностях нервных импульсов он сможет различить не 8, а 4 сообщения: 1 - отсутствие длинных «пачек»; 2 - наличие одной (длинной) «пачки» (для нейрона станут одинаковыми вторая, третья и четвёртая последовательности импульсов); 3 - наличие двух (длин ных) «пачек» (нейрон не сможет различить пятую, шестую и седь мую последовательности импульсов); 4 - наличие трёх (длинных) «пачек» (восьмая последовательность импульсов). Следовательно, 351 Г пава 7. Информация и регулирование в биологических системах в таком случае М = 4, априорные вероятности первого и четвёртого сообщений равны 1/8, а второго и третьего - 3/8. Рассчитаем инфор мационную энтропию: jjН = (\. 1 3 . 3 3. 3 1. Р log, — I log. — I log. — I log, - U 8 8 28 8 28 8 2 8, = - - log2 - + - log2 - ) = Ч -0 Д 5 • 3 -0 ,7 5 • 1,42) = 1^4 8 8 8 J = 1,81 бит(сообщенис)-1. Подобш>1е расчёты позволяют не только сделать вывод, что в нервных каналах связи эффективнее работают нейроны, различаю щие «пачки» импульсной активности по их продолжительности, но и оценить количество информации, анализируемой нейронами раз ных типов. Так, у нейронов первого типа информационная энтропия составляет 3 бита на сообщение, тогда как у нейронов второго типа Н = 1,81 бит • (сообщение)-1. Когда такие числа характеризуют один и тот же нейрон при изменении его функционального состояния, по лучается количественная оценка потерь информации в этом процес се. Например, при нарушении возбудимости нейрон способен реаги ровать на более длительные стимулы (при прежней их амплитуде), утрачивая тем самым реакции на короткие раздражители. Поэтому даже частичная потеря возбудимости может сопровождаться потеря ми в передаче информации. Их удается оценить количественно пу тем расчёта изменения информационной энтропии. Однако далеко не всякий патологический процесс в нервной системе приводит к понижению информационной энтропии, по скольку организм обладает рядом защитных механизмов, предупре ждающих потери информации даже в условиях патологии. Наиболее эффективным способом предупреждения потерь информации во всех сферах человеческой деятельности служит создание информацион ной избыточности (как и сама информация, её избыточность изме ряется в битах). Избыточность информации свойственна, например, любому тексту. Так, в письменных текстах на немецком языке содер жится, в среднем, по 1,3 бита на букву, тогда как средняя избыточ 352 Биофизика ность достигает 3,4 бита на букву. Следовательно, в таких текстах избыточность значительно больше содержания информации. Эта за кономерность характерна для всех языков. Благодаря избыточности подобная форма передачи информации весьма надежна. Один из эффективных конкретных способов реализации прин ципа избыточности для повышения надёжности передачи информа ции состоит в использовании нескольких параллельных каналов свя зи. Он присущ нервной системе. Так, количество рецепторов гораздо больше числа нейронов, к которым от них поступают сигналы. Про пускная способность любых рецепторных аппаратов значительно выше возможностей осознания сенсорной информации. Человече ское сознание пользуется очень малой долей информации, постав ляемой в мозг периферическими отделами анализаторов - сенсорны ми входами (табл. 7.1). Например, максимальный поток информации в процессе зрительного восприятия, осознаваемого человеком, со ставляет всего 40 бит • с-1, тогда как информационная ёмкость потока нервных импульсов в зрительных нервах достигает 107 бит ■с-1. Со поставление этих чисел свидетельствует об огромной избыточности и, следовательно, высокой надёжности информационных процессов в зрительной сенсорной системе. То же свойственно другим анализа торам (табл. 7.1) и всем функциональным аппаратам мозга. Таблица 7.1 Сравнение потоков информации (ёмкости каналов) на уровне афферентных волокон и сознательного восприятия (М. Циммерманн, 1984) Сенсорная система Число ре цепторов Общая ёмкость каналов, бит * с-1 Психофизическая оцен ка емкости каналов (по осознанному восприя тию), бит • с-1 О 30 7 106 СМ О (О 40 105 2 ■10® Слуховая со 7 2.104 Зрительная Тактильная Число аффе рентных во локон ю 106 5 Обонятельная 7 • 107 ю 5 105 1 (?) Вкусовая 3 -1 0 7 103 103 1 (?) ю Применение теории информации к сенсорным системам позво ляет сравнивать эффективность различных способов кодирования Гпава 7. Информация и регулирование в биологических системах 353 информации о внешней среде и информационные возможности каж дого анализатора, сопоставлять органы чувств с техническими систе мами передачи информации. Язык теории информации пытаются употреблять для количественной оценки даже тех информационных систем организма человека, которые осуществляют психическую деятельность. На этом пути совершается много ошибок. Среди них следует назвать попытки применения понятий и математического ап парата теории информации к процессам, обеспечивающим осмысле ние передаваемой информации. Для определения допустимых границ грамотного приложения теории информации нужно усвоить, что в ней нет положений, кото рые позволили бы количественно оценить смысл сообщения. «Тео рия информации, - предупреждал К. Шеннон, - пригодна лишь для систем, в которых нет никакой семантики». Она позволяет строго изучать только такие каналы связи в организме, которые подобно ма шине передают всю поступающую к ним информацию без проникно вения в её содержание и без выражения субъективного отношения к ней. Например, телеграфист может рассматриваться в качестве эле мента системы связи, анализируемой с позиции теории информации, только в том случае, если при передаче сигналов он не вдумывается в их смысл. Результаты изучения сложных психических актов на ос нове теории информации пока не удовлетворяют исследователей. Однако существует мнение, что её дальнейшее развитие приведёт к созданию математического аппарата, который окажется пригод ным для проникновения в сложнейшие механизмы человеческой психики. Сегодня эта теория применима к относительно простым проявлениям деятельности мозга. 7 .1 .3 . Информация, заключенная в генетическом коде Важное медицинское и общебиологическое значение имеет ко личественная оценка информационных свойств генетического кода. Его кодирующей единицей служит триплетный кодон, образованный тремя из четырёх нуклеотидов, из которых «собраны» молекулы ДНК и РНК. Иными словами, «тексты» нуклеиновых кислот «написаны» 23 - 9844 354 Биофизика П ро - - П ро -------- Сер - Ц - Ц - У - У - Ц - У П ро во всех случаях - i n w i - - Ц-Ц-Ц-] - ц - Ц- у - I - Ц - Ц- А - Ц - Ц- Г про - ( -J Рис. 7.2. Три характ ерные особенности генетического кода: 1) кодирующей единицей (специфической комбинацией нуклеотидов, определяющ ей включение аминокислоты в м олекулу белка) является триплет ный кодон; 2) универсальност ь кода для всех биологических систем; 3) вырож денность кода (одна и т а ж е аминокислота кодируется более чем одним триплетом, но первые два нуклеотида для данной аминокислоты всегда одни и т е ж е). Обозначения нуклеотидов: А - аденин; Г - гуанин; У -у р а ц и л , который в Р Н К занимает мест о тимина, содерж ащегося в ДН К ; Ц - цитозин. Обозначения аминокислот: Про - пролин; Сер - серин. четырёхбуквенным алфавитом: в каждой из них четыре нуклеотида (аденин - А, гуанин - Г, тимин - Т, цитозин - Ц) складываются в раз личные комбинации по 3, и с каждым таким триплетом (строго фикси рованной последовательностью из 3 нуклеотидов: например, АГТ, АГА, ЦТГ и т.д.) может взаимодействовать определённая аминокис лота (рис. 7.2 и табл. 7.2). Общее число разных кодонов равно 43= 64. Аминокислоты разнообразнее нуклеотидов. Природные белки состоят из 20 разных аминокислот, которые, образуя различные соче тания, формируют белковые молекулы, включающие сотни и тысячи аминокислотных остатков. Место каждой аминокислоты в первичной структуре белка определяется триплетным кодоном; а именно, после довательность аминокислот в белковой молекуле, за синтез которой ответствен данный участок ДНК, предопределена последовательно стью нуклеотидных триплетов в нем. Информация, «записанная» 4-символьным нуклеотидным кодом, перекодируется в 20-символь ный аминокислотный код в тех участках ДНК, которые кодируют мс 355 Глава 7. Информация и регулирование в биологических системах Таблица 7.2 Генетический код (ДНК-код) Первый нуклеотид в триплете Второй нуклеотид в триплете* А 7. А ААА ААГ Т Г АГА Фен ААТ А «Стоп» Т Тир АТГ «Стоп»** АЦГ АГТ ATT АЦТ АТЦ АЦЦ Три Ц ГТА ГЦА Apr А ААЦ Лей АГЦ Лей ГГА Про АЦА Цис АТА АГГ 8. Г ГАА Сер ц Третий нуклеотид в триплете Г ГАГ ГГГ ГТГ ГАТ ГГТ ГТТ ГАЦ ГГЦ ггц Глн гцг гцт гцц ТТА Асн ТЦА Сер А Лиз тцг тцт тцц Гли т ц Асп ГЦА Apr А 9. Т ТАА Иле ТАГ ТАТ Мет Тре ТГГ ТТГ ТГТ ТТТ ттц тгц ТАЦ 10. Ц ЦАА ТГА Вал ЦГА Гис Ала ЦТА ЦАГ цгг ЦАТ ЦГТ цтг цтт ЦАЦ ЦГЦ ЦТЦ Глу Г Т ц Г ГЦГ Г гцт гцц т ц * Обозначения: нуклеотиды: А - аденин, Г - гуанин, Т - тимин; Ц - цитозин; амино кислоты: Ала - аланин, Apr - аргинин, Асн - аспарагин, Асп - аспарагиновая кислота, Цис - цистеин, Глн - глутамин, Глу - глутаминовая кислота, Гли - глицин, Гис - гисти дин, Иле - иэолейцин, Лей - лейцин, Лиз - лизин, Мет - метионин, Фен - фенилала нин, Про - пролин, Сер - серии, Тре - треонин, Три - триптофан, Тир - тирозин, Вал валин. ** Три кодона (ATT, АТЦ, АЦТ) в ДНК не кодируют аминокислот («стоп») - по-видимому, они должны означать точку в сообщении, отделяя синтез одной полипептидной цепи от синтеза другой. стоположение аминокислотных остатков в полипептидной цепи (табл. 7.2 и рис. 7.3). Так как геномом называется часть молекулы ДНК, ответственная за синтез одной белковой цепи, то проблема генетического кода сводится к разрешению вопроса: каково соответ ствие между последовательностью нуклеотидов в ДНК и последова тельностью аминокислотных остатков в первичной структуре белка? Именно так проблема была сформулирована в 1953 г. физиком Г.А. Гамовым, сделавшим первый расчёт генетического кода. Осно23* 356 Биофизика вополагающие исследования по его расшифровке провели М.У. Ниренберг и Р.У. Холли, а окончательно расшифровал генетический код и синтезировал ген тРНК Х.Г. Корана в 1966 г. Эти учёные удостое ны Нобелевской премии (1968 г.). Каждый участок ДНК, с которым связан синтез белковой моле кулы, включающей N аминокислотных остатков, образован 3N нук леотидами. Например, генетический аппарат, обеспечивающий син тез белковой молекулы из 200 аминокислот (N = 200), состоит из 600 нуклеотидов. Количество информации (/,), заключённой в участке ДНК, ответственном за синтез макромолекулы из N компонентов, рассчитывается по формуле: 1г = lo g 2 n ]N , где пн - число символов в нуклеотидном коде (пн = 4). Поскольку ячейкой, содержащей 2 бита информации, в молекуле ДНК служит каждая пара комплементарных нуклеотидов (аденин - тимин, гуанин - цитозин), то в рассмотрен ном примере 1г = log24600 = 2 • 600 = 1200 бит. Для количественной оценки информации (/б), содержащейся в уже синтезированной белковой молекуле, воспользуемся аналогичДвойная спираль ДНК мРНК АУГ б) ЦЦГ УУГ АЦА тРНК Полипептид Мет — Гли — Леи Лей |/ АУГ в) ЦЦГ УУГ АЦА Рис. 7.3. Схема синтеза белка а - код ДНК; б - матричная РНК (мРНК), образованная соответственно той цепью ДНК, которая изображена непрерывной линией; в - образование полипептида в рибосоме. Обозначения аминокислот. Мет - метионин; Гли —глицин; Лей - лейцин; А с н - аспарагин; Г - гуанин; Т - тимин; У -ур а ц и л ; Ц - цитозин; тРНК - транспортная РНК. Гпава 7. Информация и регулирование в биологических системах 357 ной формулой I 6 = log2 п » , где na - число символов в аминокислот ном коде (na = 20), N - число аминокислот, места которых строго фиксированы в первичной структуре белка. Обратимся к той же бел ковой молекуле, включающей 200 аминокислотных остатков. Если бы при её синтезе каждой из аминокислот следовало занять строго определённое ей место, то I6 = log220200 ~ 4 • 200 = 800 бит1. Это явно завышенная оценка, поскольку любой белок состоит не более чем из 20 разных аминокислот, причём определённая аминокислота (ска жем, лизин), для которой отведено несколько строго фиксированных мест в первичной структуре белка, может занять любое из них. Мож но рассчитать 16, исходя из предположения, что для выполнения бел ком присущей ему функции (например, ферментативного катализа) достаточно строго зафиксировать в его первичной структуре положе ние всего 2-3 аминокислотных остатков, образующих активный центр. Тогда получится значение 1б, в котором не учтена информа ция, необходимая для формирования вторичной, третичной и четвер тичной структур белковой молекулы. Так, число водородных связей, стабилизирующих белковую глобулу, имеет, порядок 102. К наибо лее вероятному значению количества информации, заключённой в белковой молекуле 1б , приводит предположение, что хотя бы по ловина этих водородных связей строго фиксирована. Следовательно, для расчёта I б нужно принять число строго фиксированных поло жений аминокислотных остатков в белковой молекуле приблизи тельно равным 50. Тогда 16 = log2 2050 = 4 • 50 = 200 бит. Из сопоставления значений 1г и 16 следует вывод об ог ромной избыточности генетической информации. Если принять 16 - 1 6 =200 бит, то количество информации, содержащейся в ге нетическом аппарате, которым обеспечивается синтез такой белко вой молекулы, в 6 раз (на 1000 бит) превосходит информацию, заключённую в ней. Следовательно, большая часть информации, которой обладает ген для синтеза белка, оказывается избыточной. Избыточность генетического кода повышает надёжность биосинте за, а надёжность синтеза белковых молекул жизненно необходима, 1 В расчёте log220 взят равным 4 (с точностью до 1), поскольку 4 = log216, а 5 = log232. 358 Биофизика поскольку ошибки в нём приводят к продукции чужеродных орга низму белков и, вследствие этого, к тяжелейшим заболеваниям. Другим выводом из подобных расчётов является сомнитель ность взгляда о возможности зарождения жизни на Земле благодаря случайному образованию на ней белковых тел. Вероятность случай ного синтеза молекулы определяется выражением р = 2_/, где / - ин формация, заключённая в молекуле. Для рассмотренного выше слу чая 16 = 200 бит и, следовательно, р = 2~200 ~ 10-60. Вероятность любого события на Земле, меньшая 10-30, признается абсурдно ма лой. Таким образом, случайный характер (без определённой про граммы) синтеза белка теоретически невероятен. 7 .2 . Регулирование биологических процессов Информация и регулирование неотделимы друг от друга. Они рассматриваются как компоненты единого процесса управления в тех нике, биологии и социологии. Изучение биологических форм управле ния составляет содержание биофизики сложных систем. В биологиче ских системах приём, передача, хранение и переработка информации обеспечивают управление функциями организма. Поэтому проблемы связи исследуются не только в рамках теории информации, но и с по зиций более общей науки - кибернетики. 1 . 2 . Л . Содержание кибернетики и бионики Термин «кибернетика» появился в современной научной лите ратуре после того как основоположники этой науки пришли к заклю чению «о принципиальном единстве ряда задач, в центре которых на ходились вопросы связи и управления, причём как в машине, так и в биологических объектах» (Винер Н., 1948). Чтобы подчеркнуть от меченное единство и устранить разрозненность существовавшей то гда терминологии для обозначения принципов и понятий теории связи и управления, Норберту Винеру пришлось, как он пишет, «изо брести» неологизм - «кибернетика». Автор произвёл его от греческо го слова %u|3epVTiTri^, которым в Древней Греции называли моряка, управляющего кораблем (кормчего). Нужно заметить, что задолго до Гпава 7. Информация и регулирование в биологических системах 359 Винера это слово употреблялось и в переносном смысле. Так, древне греческий философ Платон пользовался им для характеристики чело века, способного управлять людьми. Тот же корень делает созвучны ми названия правительств в английском, французском и испанском языках. Слова «губернатор» и «гувернантка» проникли в русский язык после сложной эволюции этого греческого слова. А. Ампер в своей единой системе классификации знаний (1843 г.) назвал кибер нетикой науку об управлении государством, а Д.К. Максвелл в 1868 г. обозначил близким по звучанию термином (governors) автоматиче ские регуляторы в технике. Однако только в 1948 г. с появлением книги Н. Винера «Ки бернетика» наука обогатилась новой огромной областью знаний. Толчком к развитию кибернетики послужило изучение математика ми и инженерами не столько технических, сколько биологических систем. Во время Второй мировой войны Н. Винер и его коллеги раз работали принципиально новые саморегулирующиеся комплексы противовоздушной обороны. Вскоре после войны Винер был пригла шен к решению ряда задач практической медицины и неожиданно для себя понял, что изобретённые им принципы управления система ми противовоздушной обороны давно реализованы природой в орга низме животных и человека. Эти принципы управления автор обоб щил в «Кибернетике», включавшей восемь глав, четыре из которых были посвящены нервной системе. Поэтому книга вышла с таким подзаголовком: «Управление и связь в животном и машине». Уже в 1948 г. Н. Винер определил основной теоретический ап парат современной кибернетики: 1) теория информации, 2) теория сглаживания и фильтрации «помех» (сигналов, мешающих системам управления принимать, перерабатывать, хранить и передавать ин формацию), 3) теория обнаружения и прогнозирования поведения управляющего сигнала, 4) теория обратной связи, 5) теория автома тов и сложных машин. На основе перечисленных теорий стали создаваться новые техни ческие системы управления и глубоко анализироваться регуляторные процессы в организме человека и животных. Позднее область примене ния кибернетических принципов охватила социологию и экономику, поскольку «основное содержание этих наук заключается в изучении 360 Биофизика связей» (Винер Н., 1969). Следовательно, кибернетика - безграничная наука, так как охватывает многие области человеческого знания, каждая из которых сама по себе весьма обширна. Поэтому определение кибер нетики после первых работ, посвящённых этой науке, не только расши рялось, но и уточнялось. Основоположник кибернетики в нашей стране академик А.И. Берг определил кибернетику, как науку об управлении, об управляющих системах, а также об организации как управляющих систем, так и самого процесса управления. Таким образом, кибернетика - это наука об управлении, о свя зях, при помощи которых оно осуществляется, об организации как управляющих систем, так и самого процесса управления. Основные кибернетические законы универсальны, но их кон кретные проявления в системах различной природы довольно специ фичны, чем предопределяется выделение в кибернетике трёх областей исследований: технической кибернетики, биологической кибернетики, социологической кибернетики. Приведённая классификация весьма ус ловна, поскольку названные области взаимосвязаны. Внутри каждой из них есть направления, стоящие ближе к целям и задачам смежных областей, чем к проблемам своей области. Так, автоматизированные системы искусственного кровообращения развиваются на основе пред ставлений биологической кибернетики и достижений технической ки бернетики. Важным направлением социологической кибернетики является разработка автоматизированных систем управления (АСУ) производ ством и другими формами общественной деятельности. Принципы социологической кибернетики положены в основу проектирования АСУ здравоохранения, хотя при этом учитываются закономерности биологической и технической кибернетики. Отчасти поэтому нельзя считать медицинскую кибернетику ветвью биологической киберне тики. Медицинская кибернетика, с одной стороны, уже, так как вклю чает те принципы биологической кибернетики, которые могут быть использованы для сохранения и восстановления здоровья человека, но, с другой стороны, шире, поскольку составными частями меди цинской кибернетики служат некоторые направления технической и социологической кибернетики. Гпава 7. Информация и регулирование в биологических системах 361 В рамках медицинской кибернетики биофизика ограничива ется в основном разработкой некоторых проблем биологической кибернетики. Биофизические исследования в области кибернетики вскрывают физические и физико-химические основы регулирова ния физиологических процессов в организме. Поэтому в курсе био физики рассматриваются далеко не все стороны медицинской и биологической кибернетики. Физические и физико-химические основы процессов регули рования биологических систем актуальны как для биофизики, так и для бионики. Термин «бионика» принят в 1960 г. на симпозиуме, проходившем под девизом: «Живые прототипы - ключ к новой тех нике». Так была чётко сформулирована цель бионики - создание новой техники по аналогии с биологическими объектами, в частно сти путём использования принципов управления биологическими системами. В отличие от биофизиков, специалисты в области био ники изучают организацию биологических объектов не ради того, чтобы разобраться в физических и физико-химических основах жизнедеятельности, а с целью применения этих знаний в интересах развития техники. Бионика не ограничивается разработкой кибер нетических проблем, поскольку при построении технических ана логов биообъектов используются знания об особенностях структу ры и функции не только управляющих систем организма. Создано немало технических устройств, в которых реализованы сугубо ана томические аналогии. Например, есть машины с подвижными узла ми, устроенными так же, как конечности некоторых животных (в частности членистоногих). С бионикой связаны многие достижения робототехники. Кибернетические идеи весьма полезны биологии и медицине. Они позволили по-новому рассматривать традиционные физиологи ческие проблемы регуляции функций. 7.2 .2. Стратегия управления функциями организма Физиологи изучают организм в единстве с окружающей сре дой. При её изменениях возникают разнообразные реакции организ ма. Стратегия управления функциями биологической системы состо 362 Биофизика ит в том, чтобы при любых изменениях внешней среды обеспечить сохранение её жизнеспособности. В этом заключается смысл физио логического представления о приспособлении организма к внешней среде. В докладе на XV Международном медицинском конгрессе (1903 г.) И.П. Павлов говорил: «... что, собственно, есть в факте при способления? Ничего..., кроме точной связи элементов сложной (биологической) системы между собою и всего их комплекса с окру жающей обстановкой.» Позднее, в 1918 г., в цикле лекций «Об уме вообще, русском в частности» он утверждал: «Что такое жизнь? Если стоять на факти ческой стороне дела, то придётся выразиться до некоторой степени забавно. Ж изнь есть сохранение жизни.» В начале XIX века французский естествоиспытатель К. Биша создал учение о сферах проявления жизнедеятельности человека, которое можно положить в основу классификации механизмов при способления организма к внешней среде. По мысли автора, жизне деятельность человека проявляется в вегетативных, соматических и психических процессах. Суть вегетатики составляет обмен веществ и энергии между ор ганизмом и окружающей средой. Благодаря обмену, точнее его измене ниям в разных условиях, биологическая система может приспособить ся к изменяющейся среде. Характер и уровень обмена регулируются у человека и животных посредством управления так называемыми веге тативными функциями: дыханием, кровообращением, пищеварением, выделением и др. Возможности такой формы приспособления доволь но ограничены. При значительных отклонениях параметров среды от нормальных для жизни условий изменения вегетатики не могут обеспе чить поддержание жизнеспособности. По мнению К. Биша (1802), веге тативные процессы, как форма приспособления организма к среде, при сущи растению, животному и человеку. Принципиальным отличием животных от растений является способность передвигаться и за счёт этого избегать действия небла гоприятной среды (движение позволяет уходить из «плохой» среды в «хорошую»). К. Биша говорил о появлении у животного новой сфе ры проявления жизнедеятельности - соматики (двигательной актив Глава 7. Информация и регулирование в биологических системах 363 ности). Зачатки двигательной активности, позволяющей в какой-то степени избегать действия неблагоприятной среды, есть и у растений (примером служат «ползающие» или «лазающие» растения), однако у животных двигательная функция качественно иная. Её приспосо бительные возможности несравненно выше. В свою очередь, у животных намечаются зачатки новой формы приспособления, которая обеспечивается психической сферой. Одна ко у человека высшая нервная деятельность приобрела качественно новые свойства. Она даёт возможность людям не только приспосаб ливаться к существующей среде путем более тонкой регуляции вегетатики, не только уходить из одной среды в другую и тем самым из бегать воздействия неблагоприятных факторов на организм, но и активно влиять на среду, устраняя из неё неблагоприятные для ор ганизма факторы. Разумное преобразование внешней среды способ ствует сохранению жизнеспособности человеческого организма. Следовательно, развитие психики позволило человеку приспосабли ваться к окружающей среде за счёт изменения её в интересах поддер жания жизни. Психическая деятельность считается высшей формой приспособления организма к среде. Исполнителем всех регуляторных функций в организме явля ется клетка, её генетический аппарат и метаболические системы. Последние обеспечивают быстрые приспособительные реакции ор ганизма на изменения окружающей среды. Как правило, в эти реакции включаются внутриклеточные сиг нальные системы (системы вторичных мессенджеров, т.е. посредни ков). Концепция о внутриклеточных сигнальных системах начала развиваться после открытия в 1958 г. Ф. Сазерлендом роли цикличе ского аденозинмонофосфата (цАМФ) в гликогенолизе. Позднее уста новили участие системы цАМФ в регуляции секреции, подвижности, пролиферации, мембранного транспорта и других физиологических процессов. Параллельно накапливались научные факты и о других внутриклеточных сигнальных системах (циклического гуанозинмонофосфата - цГМФ, тирозинкиназы, фосфоинозитидов, арахидоновой кислоты). Развитие представлений о вторичных мессенджерах объединило доселе разрозненные усилия физиологов, биофизиков и биохимиков в изучении регуляторных процессов, свойственных 364 Биофизика биологическим системам. Принципы функционирования внутрикле точных систем частично рассмотрены в учебнике при изложении та ких вопросов, как фосфорилирование кальциевых каналов и меха низм фоторецепции. Внутриклеточные сигнальные системы являются ключевым звеном всех форм регуляции физиологических процессов: местной, гуморальной и нервной. 7 .2 .3 . Понятие о местной регуляции физиологических процессов Местной регуляцией называют информационные взаимодейст вия между соседними клетками. Они могут взаимодействовать при помощи сигналов самой разнообразной природы. Однако роль меха нических и тепловых сигналов в межклеточном взаимодействии, по-видимому, незначительна. С 20-х годов XX века предпринимают ся попытки доказать предположение А.Г. Гурвича о межклеточном обмене информацией в форме так называемых митогенетических лу чей, отождествляемых сейчас со сверхслабой биолюминесценцией. И все же доводы в пользу существования такого информационного канала пока недостаточно убедительны. Основными формами пере дачи информации от клетки к клетке считаются сигналы химической и электрической природы. Каждая клетка способна передать сообщение о своем состоя нии при помощи определённых химических веществ, выделяемых ею в интерстиций. У соседей по клеточному сообществу есть два основ ных способа восприятия таких сигналов. Со многими химическими агентами они взаимодействуют при помощи мембранных рецепто ров, присутствующих в их плазмолемме. В результате возникают разнообразные внутриклеточные (преимущественно метаболиче ские) реакции. Связь мембранных рецепторов с метаболическими системами осуществляют внутриклеточные посредники (вторичные мессенджеры). Другие химические агенты проникают через плазмолемму клетки и образуют комплексы с компонентами цитозоля и содержи мого органоидов. Такие комплексы оказывают воздействие на раз Гпава 7. Информация и регулирование в биологических системах 365 личные внутриклеточные процессы. Например, в клеточном ядре они взаимодействуют с хроматином, вызывая депрессию или индукцию определённых генов. Обнаружены и такие формы межклеточного взаимодействия, которые осуществляются без выхода химических веществ в интерстиций. Речь идёт прежде всего о щелевых контактах. Через сквозные каналы из клетки в клетку могут перемещаться химические соедине ния, молекулярная масса которых не превышает 1,8 кДа (сахара, ами нокислоты, низкомолекулярные пептиды, нуклеотиды и т.п.). Таким образом, щелевые контакты обеспечивают непрерывные и точно на правленные межклеточные химические коммуникации, изолирован ные от интерстиция. Щелевым контактам принадлежит важная роль и в электриче ском взаимодействии между клетками, поскольку электропровод ность плазмолеммы в электрических синапсах на 5-6 порядков выше, чем в других участках плазмолеммы. Вместе с тем электрические взаимодействия между клетками не ограничиваются щелевыми кон тактами. Изменения мембранного потенциала отдельной клетки, оче видно, оказывают некоторое влияние на её окружение. К местной регуляции сейчас привлечено более пристальное внимание исследователей, чем это было прежде. Показано, что на ранних стадиях развития патологического процесса возможна нор мализация свойств дефектных клеток за счёт обмена информацией с окружающими их нормально функционирующими клеточными структурами. Клеточные сообщества существуют только благодаря передаче информации от клетки к клетке. Её нарушение разобщает клетки, и каждая из них начинает жить сама по себе. В таком угнете нии информационных процессов на уровне местной регуляции неко торые исследователи видят причину безудержного клеточного роста при развитии злокачественной опухоли. В экспериментах установле но, что клетки злокачественных опухолей утрачивают способность обмениваться информацией. Дальнейшее изучение нарушений ин формационных процессов при межклеточных взаимодействиях рас сматривается как один из перспективных путей разрешения карди нальных проблем онкологии. 366 Биофизика 7 .2 .4 . Понятие о гуморальной регуляции физиологических процессов Наряду с местной существует гуморальная регуляция физиоло гических процессов (её название происходит от латинского слова humor - жидкость). Под гуморальной информационной системой подразумевают перенос физиологически активных веществ жидко стями, перемещающимися в организме. Гуморальная регуляция осу ществляется прежде всего благодаря кровообращению, а также дви жению лимфы и ликвора. Некоторое значение имеют перемещения межклеточной жидкости, но такую гуморальную регуляцию трудно отличить от местной. Физиологически активные агенты, доставляемые в органы и ткани кровью и лимфой, оказывают регуляторное влияние на клет ки посредством одного из двух механизмов, охарактеризованных в предыдущем параграфе. Химические соединения могут, во-первых, взаимодействовать с мембранными рецепторами и, во-вторых, - про никать в цитоплазму. Большинство гормонов, обладающих пептидной структурой (адреналин, инсулин, паратгормон, глюкагон, кальциотонин и т.п.), а также энкефалины и эндорфины не проникают в клетки, а связыва ются специализированными рецепторами их плазматических мем бран. Все мембранные рецепторы, известные сегодня, относятся к гликопротеинам и гликолипидам (ганглиозидам). В связывании гормонов основную роль играют полисахаридные цепи этих соеди нений. Специфичность взаимодействия физиологически активных агентов с мембранными рецепторами чрезвычайно высока. Некото рые из пептидных гормонов действуют на клетки в концентрации 10“ 11 моль ■л-1. Каждая молекула гормона, провзаимодействовав с мем бранным рецептором, запускает сложные внутриклеточные химиче ские процессы, в которых участвуют миллионы других молекул. По средником таких реакций обычно служат системы вторичных мессенджеров (внутриклеточные сигнальные системы). Стероидные гормоны действуют на клетки иначе. В плазмолемме присутствуют рецепторы стероидных гормонов, но их функ ция состоит не в запуске внутриклеточных процессов, а в обеспече Гпава 7. Информация и регулирование в биологических системах 367 нии трансмембранного переноса гормона, который распознан рецептором. Связавшись с мембранным рецептором, стероидный гормон сохраняет неизменной свою химическую структуру, в таком виде проникает в цитозоль и далее - в клеточное ядро. Уже через 3 0 60 мин он накапливается в ядре в максимальной концентрации. Сте роидные гормоны оказывают регуляторное влияние на генетический аппарат клетки. После воздействия на хроматин они покидают ядро и выводятся из клетки в интерстиций, откуда доставляются кровью в органы выделения и удаляются из организма. К изучению гуморальной регуляции также применяется ап парат теории информации. Рассчитывается информативность раз личных гуморальных агентов и таким образом сопоставляются их информационные возможности. Подобная оценка циклического аденозинмонофосфата (цАМФ) подтвердила справедливость для орга низма основной идеи К. Шеннона: то, что передается часто, должно кодироваться короткими сигналами. Использование вездесущего цАМФ - пример краткости кодирования информации в клетке. Приведенные примеры свидетельствуют, что изучение ин формационных процессов в организме вышло за рамки нервных ка налов связи. Эта тенденция имеет важное значение как для теоре тической биологии, так и для практической медицины, поскольку разумное вмешательство врача в информационные системы боль ного человека служит эффективным средством лечения разнооб разных болезней. 7 .2 .5 . Нервная регуляция физиологических процессов Гуморальная и местная формы регуляции свойственны веге тативным процессам в организме человека. Вместе с тем в управле нии вегетатикой важная роль принадлежит нервной системе. Вся соматическая активность обеспечивается нервной регуляцией. Пси хика связана с функционированием высших отделов центральной нервной системы. Универсальным механизмом нервной регуляции вегетатики и соматики, а также психической деятельности служит рефлекс. 368 Биофизика Рис. 7.4. Схема рефлекторной дуги А - афферентное звено; Ц - центральное звено; Э - эфферентное звено; 1 —рецепторный аппарат; 2 - афферентные волокна; 3 - нейроны центральной нервной системы; 4 - эфферентные волокна; 5 —эффектор В физиологии и биофизике рефлексом называют реакцию ор ганизма на изменения внешней среды, протекающую при участии центральной нервной системы. Участие ЦНС в рефлексе обеспечи вает наряду с приёмом информации её переработку и хранение, а также формирование сигналов к исполнительным органам. Структурной основой рефлекса является рефлекторная дуга, состоящая из 3 основных звеньев: афферентного, центрального, эф ферентного (рис. 7.4). Афферентное (центростремительное) звено включает рецепторные аппараты, воспринимающие адекватные раз дражители, и афферентные волокна (отростки чувствительных ней ронов), проводящие нервные импульсы от рецепторов в ЦНС. Следо вательно, афферентное звено рефлекторной дуги обеспечивает приём информации и передачу её туда, где она обрабатывается. Приём ин формации сопряжен с её первичной обработкой, выражением чего яв ляется кодирование. Однако основная обработка информации осуще ствляется в центральном звене рефлекторной дуги. Гпава 7. Информация и регулирование в биологических системах 369 В центральное звено входят все нейроны ЦНС, участвующие в осуществлении данного рефлекса. Важным элементом центрально го звена являются синапсы между нейронами. С их функцией связаны и приём сигналов, и интегративная деятельность нейронов, и хране ние информации, и формирование команды исполнительному орга ну. Командный сигнал поступает в третье - эфферентное звено реф лекторной дуги, включающее эфферентные (центробежные) нервные волокна и исполнительный орган - эффектор (мышца, железа и т.д.). Развитие рефлекторной теории связано с именами Ивана Михай ловича Сеченова и Ивана Петровича Павлова. До работ Сеченова фи зиологи считали, что рефлекс служит механизмом нервной регуляции вегетативных и соматических процессов. Психика изучалась отдельно, причём большинство учёных не относило психические явления к пред мету физиологических исследований. И.М. Сеченов высказал предпо ложение, что механизмом психической деятельности является реф лекс. Эта гипотеза, сыграв значительную роль в формировании мате риалистического мировоззрения современников, долго оставалась «ге ниальным взмахом мысли», не подкрепленным экспериментальными доказательствами. Идею И.М. Сеченова доказал И.П. Павлов, разрабо тавший метод физиологического (объективного) изучения психиче ских явлений. Речь идёт о методе условных рефлексов. И.П. Павлов установил, что те рефлексы, на которых строится психическая деятельность, отличаются от врожденных форм рефлек торных реакций. Поэтому он подразделил все рефлексы на две боль шие группы: условные и безусловные. Первые из них обеспечивают психические процессы. Различия между условными и безусловными рефлексами изучаются подробно в курсе нормальной физиологии. Здесь уместно остановиться лишь на главном различии двух групп рефлекторных реакций. Они имеют принципиально разное биологи ческое значение в регуляции функций организма. Примером безусловного рефлекса может служить отдергивание руки при уколе кожи. В этом случае биологическое значение реакции очевидно - она направлена на то, чтобы избежать действия вредонос ного фактора, причём он сам является непосредственным источни ком информации о своем действии. В качестве примера условного рефлекса, изучаемого в лаборатории, рассмотрим слюноотделение, 24 - 9844 370 Биофизика возникающее в ответ на звонок или вспышку света, в слюноотдели тельной реакции на которые организм не нуждается. Такая реакция появляется только в том случае, если включение звонка или вспышка света «подкрепляются» воздействием на организм ещё одного стиму ла, на который организм реагирует слюноотделением по механизму безусловного рефлекса (например, вливание в рот растворов раздра жающих веществ). После нескольких сочетаний индифферентного (звук или свет) и биологически значимого (безусловного) по отноше нию к слюноотделению раздражителей слюна начинает выделяться и на отдельное предъявление индифферентного стимула (он теперь становится условным раздражителем). Биологический смысл услов ного раздражителя состоит в том, что он выполняет роль сигнала о будущих событиях, к реагированию на которые организму необхо димо подготовиться соответствующим образом. Условный раздраж итель - это сигнал о грядущем событии, по будительный мотив к предстоящей деятельности, а условнореф лекторные реакции обеспечивают организму предуготовленностъ к ним. В момент действия условного раздражителя в среде ещё не произошли изменения, к которым организм должен приспосабли ваться (избегать опасности, питаться, размножаться и т.д.), но услов ный раздражитель служит для организма сигналом, предупреждаю щим о том, что через определённое время произойдёт биологически значимое изменение среды и к нему следует подготовиться. 7 .2 .6 . Обратные связи в рефлекторных актах Обращение к рефлексам потребовалось нам для того, чтобы понять, как в рефлекторной теории проявляются основные принципы кибернетики. Среди них одним из важнейших является принцип об ратной связи. Развитие кибернетики привело к тому, что физиологи и биофи зики вспомнили одну из интереснейших идей выдающегося анатома и физиолога начала XIX в. Чарльза Белла, который внёс весомый вклад в развитие рефлекторной теории. Он утверждал, что рефлек торная деятельность не заканчивается совершением работы исполни тельным органом. В нём есть собственные рецепторы, для которых Гпава 7. Информация и регулирование в биологических системах 371 результаты этой работы служат раздражителями. Рецепторы испол нительного органа (эффектора) посылают в ЦНС сигналы, содержа щие информацию о том, как выполнена команда, и являющиеся ис точником новых рефлексов, которые корректируют деятельность эффектора в целях наиточнейшего выполнения команды. Например, в скелетных мышцах присутствуют механорецепто ры, возбуждаемые перемещениями мышечных волокон. Эти так на зываемые проприоцепторы кодируют информацию о сокращении и, следовательно, о том, как мышца при своем сокращении выполнила команду, посланную ей мозгом. Центральная нервная система анали зирует сигналы от проприоцепторов, что и служит основой для кор рекции дальнейшей работы исполнительного органа. Таким образом, однократное стимулирование рецепторного ап парата, приводящее к рефлекторному акту, в реальных условиях не за канчивается однократным возбуждением исполнительного органа. Ра бота эффектора является источником новых рефлекторных реакций, протекающих до тех пор, пока не будет достигнуто точное достижение цели определённого рефлекса. Информация циркулирует в своеобраз ном «рефлекторном кольце»: рецептор - мозг - эффектор - рецепторы самого эффектора - мозг - эффектор и т.д. В ЦНС сигналы от рецепто ров исполнительного органа взаимодействуют с новыми сигналами от рецепторных аппаратов, служивших источником первоначальной ре акции. Кроме того, благодаря информации, поступающей от рецепто ров исполнительного органа, мозг может сравнивать результат испол нения своей команды с моделью (эталоном) идеального результата, формируемой в ЦНС на основании как сиюминутных сведений о сре де, так и предшествующего опыта, запечатлённого в памяти. Часть «рефлекторного кольца», по которой сигналы передают ся от эффектора в мозг (навстречу командам, поступающим от мозга к эффектору), называется обратной связью. Если она обеспечивается рецепторами самого исполнительного органа, говорят о внутреннем контуре обратной связи. Вместе с тем контроль за деятельностью эф фекторов осуществляется не только их собственными рецепторными аппаратами. Например, при письме движения руки контролируются как рецепторами её мышц и сухожилий, так и другими сенсорными системами - в первую очередь зрительным анализатором. В необхо 24‘ 372 Биофизика димости такой обратной связи легко убедиться, попытавшись писать с закрытыми глазами. Следовательно, наряду с внутренним сущест вуют и внешние контуры обратных связей. В данном случае слово «внешний» подразумевает участие таких рецепторных аппаратов, ко торые не принадлежат эффектору первичной рефлекторной дуги. Об ратные связи в рефлекторных актах весьма разнообразны, но все они имеют одно предназначение - коррекцию рефлекторной деятельно сти исполнительных органов. Без обратных связей все реакции были бы менее четкими, не столь целесообразными и целенаправленными, какими они являются в организме человека и животных. 7.2 .7. Приложения теории автоматического регулирования к анализу рефлекторной деятельности Изучение обратных связей как в рефлекторных реакциях, так и в других формах регуляции функций в организме (гуморальной, местной), привело к выводу о замкнутости контуров биологического регулирования. При этом весьма полезным оказалось применение принципов теории автоматического регулирования к изучению раз нообразных регуляторных механизмов в биологических системах. Одним из основных понятий, которыми оперирует теория авто матического регулирования (управления), является понятие системы. В кибернетике системой принято называть любую совокупность взаимодействующих устройств и процессов, выполняющих в целом определённую функцию. Каждый из элементов системы может выпол нять одну или группу подчинённых функций (подфункций), но толь ко в совокупности и взаимодействии элементы, образующие систему, способны осуществить полную функцию, изучаемую исследовате лем. Например, система кровообращения в целом выполняет транс портную функцию. Составные элементы системы кровообращения сердце и кровеносные сосуды - по-разному участвуют в осуществле нии транспортной функции. Сердце нагнетает в сосуды кровь и тем самым служит насосом (это подфункция относительно всей транс портной функции). Кровеносные сосуды - магистрали для движения крови. Вместе с тем артерии эластического и мышечного типов, ка- 373 Глава 7. Информация и регулирование в биологических системах / \ Рис. 7.5. Структурные схемы систем автоматического регулирования (а - по возмущению, б - по отклонению, в - комбинированной) ЭС - элемент сравнения; Р - регулятор; ОР - объект регулирования; ОС - обратная связь; И - измеритель возмущающего фактора; К У - корректирующее устройство пилляры и вены выполняют свои дополнительные функции. Феноме ны «воздушного колпака» в аорте, «сосудистых кранов» - артериол, обмена веществ через капиллярную стенку, ёмкостных свойств вен все это подфункции общей транспортной функции сердечно-сосуди стой системы. Систему автоматического регулирования (САР) изображают обычно в виде структурной схемы, представляющей собой набор эле ментов, каждый из которых выполняет определённую подфункцию, описан математическим выражением и соединён с другими элемента ми линиями со стрелками, указывающими на однонаправленные при чинно-следственные связи, существующие в системе (рис. 7.5). Различают системы автоматического регулирования по возму щению (рис. 7.5, а) и отклонению (рис 7.5, б). Важными блоками обе их систем являются объект регулирования (ОР) и регулятор (Р). Объ ект регулирования - это элемент САР, в котором протекает процесс, подлежащий регулированию. На выходе ОР можно зарегистрировать так называемую выходную характеристику системы- y ( t). Она пред ставляет собой зависимость от времени регулируемого параметра (иными словами, его изменения во времени). Для управления объек том регулирования система содержит регулятор. В нём формируется управляющий сигнал (команда), который также можно представить 374 Биофизика в виде функциональной зависимости сигнального признака команды от времени - S (t). В системах автоматического регулирования по возмущению непосредственным сигналом к изменению режима работы регулято ра служит реакция на возмущающие факторы - x(t). К ним относятся любые изменения внешней среды, способные нарушить исходные режимы работы объекта регулирования или регулятора. Для преду преждения таких нарушений в САР по возмущению присутствуют из меритель возмущающего фактора (И) и корректирующее устрой ство (КУ). Под влиянием x(t) в и возникает сигнал, включающий КУ, а его выходные сигналы - z \t) корректируют работу регулятора, вследствие чего управляющая функция - S(t) изменяется таким обра зом, чтобы обеспечить функционирование объекта регулирования в оптимальном режиме, несмотря на существование возмущающих факторов. Можно сказать, что ОР приспосабливается к их присутст вию в среде. В системах автоматического регулирования по отклонению непосредственным сигналом к изменению режима работы регулято ра служит изменение выходной характеристики -y ( t). Как только она изменится под влиянием возмущающих факторов - x(t) или собст венных «шумов» системы, произойдёт коррекция сигналов в цепи ЭС-Р-ОР. Для осуществления такой коррекции САР по отклонению имеет цепь обратной связи (ОС). Преобразованная выходная харак теристика - y ( t ) подается по цепи ОС па элемент сравнения (ЭС), об ладающий двумя входами. Один из них служит для приёма сигнала обратной связи-y '( t) , а другой - эталонной функции - g (t), с которой в ЭС сравнивается выходная характеристика. Эталонная функция яв ляется образцом для выходной характеристики, и вся работа САР по отклонению заключается в том, чтобы y(t) не отличалась от своего образца. Эталонную функцию принято называть задающим воздей ствием или уставкой. В большинстве технических САР уставка име ет электрическую природу, представляя собой аналоговую или дис кретную функцию тока или напряжения от времени. В сложных системах уставка формируется электронными вычислительными ма шинами. В ней учтены как задачи, так и возможности данной САР, Гпава 7. Информация и регулирование в биологических системах 375 а также текущие изменения условий её работы, которые могут воз никнуть под действием возмущающих факторов. В отличие от уставки, выходной характеристике свойственна зачастую неэлектрическая природа. Например, у такого ОР, как элек тромотор, выходной характеристикой является механическая сила, изменяющаяся во времени. В подобных случаях цепь ОС осуществля ет не только передачу части выходного сигнала на вход системы (на ЭС), но и преобразование разномодальных сигналов в электрические. Только в таком виде выходная характеристика может сравниваться с уставкой. Поэтому цепь ОС включает, как правило, измерительный преобразователь, обеспечивающий кодирование разномодальных вы ходных характеристик - y(t) электрическими сигналами (функциями тока или напряжения от времени). В ЭС поступает выходная характе ристика, преобразованная в электрические сигналы, - /( / ) . Не зря на рис. 7.5, б в цепи обратной связи показаны две функции: до измери тельного преобразователя (ОС) -y (t), а после него -y '(t). Элемент сравнения выполняет операцию алгебраического сло жения, вычитая в каждый момент времени из g(0 соответствующие значения y'(t). В результате на выходе ЭС формируется сигнал рассо гласования (иначе его называют ошибкой регулирования) - e(t) = g(t) y'(t). Значение e(t) может быть равным нулю. Отсутствие ошибки регу лирования означает полное соответствие преобразованной выходной характеристики уставке. В этом случае на регулятор и далее на объект регулирования корректирующие сигналы не поступают. Режим работы ОР не изменяется. Как только е(() станет отличной от нуля, регулятор изменит свой выходной сигнал - S(t), вследствие чего ОР будет рабо тать по-другому, подгоняя выходную характеристику к уставке. Таким образом, e(t) обеспечивает коррекцию режима работы объекта регули рования и, следовательно, играет роль корректирующего сигнала. В САР по отклонению нет нужды измерять и преобразовывать возмущающие факторы -х((), как это делает- САР по возмущению. Для работы в среде с большим количеством разнообразных x(t) практиче ски невозможно использовать САР по возмущению, поскольку каждый возмущающий фактор должен восприниматься отдельным измерите лем. Такая система не способна отреагировать и на появление в среде 376 Биофизика новых x(t). В этом отношении САР по отклонению обладает несомнен ным преимуществом, так как обеспечивает регулирование за счёт оцен ки величины отклонения выходной характеристики от уставки неза висимо от причины рассогласования у'(О и g(0- Однако простые САР по отклонению начинают корректировать работу ОР только после того, как в системе уже совершится такое рассогласование. Можно сказать, что регулирование по отклонению - это регулирование вслед за ошибкой. Когда же и кратковременное рассогласование g(f) и у '(/) недопустимо, приходится усложнять структуру САР. Этому служат комбинированные системы, сочетающие оба основных принципа ав томатического регулирования: по отклонению и по возмущению (рис. 7.5, в). Ошибку регулирования можно уменьшить за счёт услож нения устройств, формирующих уставку. Применение ЭВМ позволяет формировать уставку с прогнозированием дальнейших условий работы САР. Регулирование с предвосхищением грядущих событий на основа нии их прогнозирования называется форпостным регулированием. В зависимости от характера функции g{t) разнообразные САР подразделяются на три основные группы. Если уставка - постоянная величина, то это система стабилизации (рис. 7.6, а). В организме че ловека и животных к системам стабилизации можно отнести меха низмы поддержания гомеостазиса. Если g(t) подчиняется опре делённой программе, то САР называется системой программного управления. Простой программой можно считать периодический за кон, которому следуют изменения уставки в системах регуляции биоритмов (рис. 7.6, б). В следящих системах уставка изменяется случайным образом. Многие процессы в организме имеют вероятно стный характер. Они регулируются следящими системами. Сопоставим рефлекторную дугу и структурную схему САР по отклонению (рис. 7.7). В рефлекторной дуге объектом регулирования является исполнительный орган {эффектор). Деятельность любого эффектора можно описать математически в виде функциональной за висимости его основного параметра от времени. Такая функция слу жит выходной характеристикой системы регулирования (рефлектор ной дуги). Реакция исполнительного органа оценивается как его собст венными рецепторами, так и рецепторными аппаратами, принадле- Г пава 7. Информация и регулирование в биологических системах 377 Рис. 7.6. Графики уставки (!) и выходной характеристики (2) в системах стабилизации (а) и программного управления (б) жащими другим анализаторам. Рецепторы, воспринимающие те или иные проявления реакции эффектора на сигналы, поступившие из центральной нервной системы (от регулятора), входят в цепь обрат ной связи. Здесь рецепторные аппараты выполняют свою обычную функцию - преобразуют разномодальные раздражители (те или иные следствия рефлекторного акта, например мышечные усилия) в нерв ные импульсы. Только в форме нервной импульсации мозг способен получить информацию о выходной характеристике и сравнить её с уставкой. Следовательно, в рефлекторных дугах элементами срав нения являются нейроны центрального звена. Ошибочно мнение, будто роль элемента сравнения принадлежит рецепторам. Эта ошиб ка приводит к другой, не менее существенной. Глубоким заблужде нием является утверждение, что уставка - это раздражители, воздей ствующие на рецепторы органов чувств. Уставка формируется в центральной нервной системе. Она представляет собой идеальную модель результата рефлекторного акта. При её создании мозг синтезирует информацию о среде в дан ный момент, учитывает состояние организма и на основе прежнего опыта подобных реакций (памяти) формирует сигналы - g(t), с кото рыми сравнивается преобразованная выходная характеристика - УХООбе функции закодированы нервными импульсами. Таким образом, элемент сравнения, источник уставки и регу лятор, показанные на рис. 7.7, локализованы в центральном звене рефлекторной дуги (рис.7.4). В разных рефлекторных дугах миссию каждого из перечисленных компонентов САР выполняют различные 378 Биофизика y'(t) а) б) Рис. 7.7. Сопоставление рефлекторной дуги (а) и структурной схемы системы автоматического регулирования по отклонению (б) нервные центры, находящиеся в том или ином отделе головного и спинного мозга. При рассмотрении конкретной рефлекторной дуги можно назвать определенные анатомические образования мозга, функционирующие как регулятор и элемент сравнения. С указанием источника уставки дело обстоит сложнее. Важно понимать, что каж дому элементу структурной схемы САР соответствует, как правило, не один нервный центр, а группа структур головного и спинного моз га. Так, регулятор, управляющий движениями человека, включает нервные центры передней центральной извилины коры больших по лушарий, базальных ядер головного мозга, мозжечка, среднего, про долговатого и спинного мозга. На выходе такого регулятора, посы лающего управляющие сигналы мышцам конечностей и туловища, находятся а-мотонейроны передних рогов спинного мозга. В терминах теории автоматического регулирования аналогом раздраж ителей являются возмущающие факторы. Для них в струк турной схеме САР по отклонению (рис. 7.5, б) не предусмотрены специальные входы, поскольку они могут быть приложены к любому Гпава 7. Информация и регулирование в биологических системах 379 элементу системы регулирования. В реальных условиях действие большинства возмущающих факторов на мозг опосредуется рецеп торными аппаратами. Конечно, яды и механические перегрузки, жара и холод способны нарушить нервную деятельность и за счет не посредственного действия на мозговые структуры. Однако любые изменения среды улавливаются прежде всего рецепторами, и ЦНС информируется об этом сообщениями в форме афферентной импульсации. Следовательно, подавляющее большинство возмущающих факторов - x{t) внедряется в САР физиологических процессов через рецепторные аппараты сенсорных систем организма. Иными слова ми, входами для x(t) служат афферентные звенья рефлекторных дуг. Сигналы от рецепторов вызывают изменения выходной характери стики и, следовательно, отклонения её от уставки, за счёт чего в эле менте сравнения возникает сигнал рассогласования - (/), корректи рующий режим работы регулятора. В результате такой коррекции исполнительный орган (объект регулирования) начинает работать иначе, обеспечивая уменьшение возникшего рассогласования между уставкой и выходной характеристикой. На первый взгляд, возмущающие факторы мешают автомати ческому регулированию. Без них гораздо меньше рассогласований между g(t) и y'(t) и, следовательно, ОР нуждается в меньшей коррек ции. Однако от такого мнения придётся отказаться, вспомнив, что за дача регулирования биологической системы состоит в её приспособ лении к среде. Ведь именно в x{t) содержится информация о тех изменениях среды, которые требуют перевода системы на новый уровень функционирования, обеспечивающий поддержание жизне деятельности в изменившихся условиях. Рассмотрим, например, приспособление организма к недостат ку кислорода в окружающей среде. Понижение содержания 0 2 во вдыхаемом воздухе может нарушить гомеостазис. Однако при уме ренном недостатке кислорода организм сохраняет гомеостазис за счёт изменения режима регулирования вегетативных функций: уси ливается внешнее дыхание, большую мощность развивает сердце, увеличивая объёмную скорость кровотока, расширяется капиллярная сеть и т.д. Все эти реакции возникают вследствие рассогласования 380 Биофизика между параметрами гомеостазиса и соответствующих уставок (в фи зиологии их называют должными параметрами функции). В сложных системах регулирования (например, при управле нии движениями) изменения среды приводят к перестройке и самой уставки. Однако перестройка g{t) происходит также под влиянием сигнализации от рецепторных аппаратов сенсорных систем организ ма. В этом случае рассогласование уставки и выходной характери стики происходит значительно сложнее. Таким образом, возмущающие факторы заставляют САР изме нять регуляторные режимы для перевода объектов регулирования на новые уровни функционирования. Так достигается приспособление организма к меняющейся среде. Чем сильнее изменяется внешняя среда, тем глубже и сложнее перестройка процессов регулирования в биологических системах. Важнейшим параметром ответа САР на возмущающие факто ры является время. Речь идет и о латентном (скрытом) периоде реак ции, и о скорости перехода на новый режим регулирования. Только при достаточно быстром реагировании система точно следует за не прерывно меняющимися условиями функционирования. Беспрестан ная динамика свойственна среде обитания живых организмов, причём x(t) имеет преимущественно случайный (вероятностный) ха рактер. Поэтому для биологических систем особое значение приоб рела реализация принципа форпостного регулирования. 7 .2 .8 . Форпостное регулирование функций организма Форпостное (предвосхищающее грядущие события) регулиро вание является более совершенной формой регуляции функций орга низма по сравнению с механизмами управления, включающимися вслед за изменением выходной характеристики. В свете кибернети ческих представлений условный рефлекс можно рассматривать в ка честве механизма форпостного регулирования. В условном рефлексе проявляется основной принцип психиче ской деятельности - образование временных связей между организ мом и окружающей средой. Тот или иной фактор среды после ряда Глава 7. Информации и регулирование в биологических системах 381 сочетаний с биологически значимым изменением её параметров при обретает роль предупреждающего сигнала. Такое предупреждение предшествует действию безусловного раздражителя, в силу чего ор ганизм оказывается заранее подготовленным к нему. Если это небла гоприятный фактор, то на основе психической деятельности в орга низме формируются реакции, устраняющие пагубные влияния еще до того, как они начали действовать. Благодаря реализации принципа форпостного регулирования образование временных связей между организмом и внешней средой относится к высшим формам приспо собления биологических систем. Эти реакции составляют высшую нервную деятельность, которая у человека приобрела качественно новые свойства по сравнению с подобными процессами у животных и получила название психической деятельности. Реакции, предвосхищающие изменения внешней и внутренней сред организма, сформировались в ходе эволюции уже на уровне без условных рефлексов. Однако механизмы форпостного регулирования гораздо совершеннее и разнообразнее при образовании временных связей. Психическая деятельность дала человеку неисчерпаемые воз можности реализации принципа форпостного регулирования в при способлении к внешней среде, изменяющейся стохастически. Современную философию обогащают и кибернетические идеи, одним из источников которых явилось изучение управления и связи в биологических системах. Применение к ним кибернетических прин ципов ярко продемонстрировало внутреннюю диалектику жизни. Ки бернетический подход способствует объединению разнообразных и зачастую разрозненных фактов естествознания, помогая естествоис пытателям продвигаться в направлении глубоких философских обоб щений явлений жизни на атомном, молекулярном, клеточном, орган ном и организменном уровнях. 7 .3 . Регуляция температуры тела гомойотермного организма Постоянство температуры «ядра» тела у гомойотермного жи вотного поддерживается благодаря слаженному взаимодействию различных регуляторных процессов. Их рассмотрение на конкретном 382 Биофизика примере способствует глубокому пониманию принципов регулиро вания биологических процессов. 7 .3 .1 . Эффекторы теплопродукции Изменение уровня теплопродукции в метаболических процес сах (т.е. химическая терморегуляция) осуществляется прежде всего за счет усиления или ослабления двигательной активности человека и животного. Для выработки организмом дополнительного тепла по средством сократительного термогенеза особенно эффективна ак тивная произвольная мышечная деятельность (физическая работа). Даже при слабой физической работе теплопродукция возрастает на 50-80%, а при тяжелой в 4—5 раз. Сократительный термогенез имеет место и при непроизволь ных тонических и ритмических (фазических) сокращениях скелетной мускулатуры. Тоническая мышечная активность на холоде называет ся терморегуляционным тонусом скелетной мускулатуры. У замер зающего человека вначале тонически сокращаются мышцы подбо родка, потом шеи, верхнего плечевого пояса и, наконец, туловища. Такая сократительная активность мышц развивается подсознательно. Вследствие непроизвольного сокращения сгибателей конечностей животное на холоде сворачивается в клубок («калачиком»). Нечто подобное наблюдается и у человека, особенно во сне. Терморегуля ционный тонус приводит к усилению теплообразования на 20-45% от исходного уровня. При более сильном охлаждении организма терморегуляцион ный тонус сменяется мышечной дрожью. Она начинается с жева тельной мускулатуры, что проявляется у людей в стуке зубами, а по том охватывает нижележащие мышцы туловища и конечностей, вплоть до бедер. Повышение уровня теплопродукции при замерзании посредст вом непроизвольных ритмических сокращений поверхностно распо ложенных мышц называют дрожательным термогенезом. Дрожь приводит к пятикратному возрастанию скорости метаболических процессов в скелетных мышцах, что значительно (в 2-3 раза) усили вает химическую терморегуляцию. Считается, что эффективность Гпава 7. Информация и регулирование в биологических системах 383 дрожательного термогенеза в 2,5 раза выше произвольной активно сти локомоторного аппарата, но это не очень экономный механизм, поскольку сопровождается расширением кровеносных сосудов и уси лением теплоотдачи. В физиологической литературе зачастую встречается термин недрожательный термогенез. Строго говоря, к нему можно отнести терморегуляционный тонус, но под недрожательным термогенезом понимают теплопродукцию за счет ускорения метаболических про цессов, не связанных с какими бы то ни было мышечными сокраще ниями. Поэтому лучше называть этот механизм теплопродукцией не сократительным термогенезом. Вместе с тем к недрожательному (несократительному) термогенезу не принято относить возрастание на 10-30% продукции тепла при приёме пищи, хотя её специфи ческое динамическое действие вносит вклад в химическую термо регуляцию. К недрожательному (несократительному) термогенезу от носят усиление теплопродукции вследствие активации гликолиза, гликогенолиза и липолиза, особенно при разобщении процессов окис ления и фосфорилирования в дыхательной цепи митохондрий. Не дрожательный термогенез особенно эффективен в печени, почках и буром жире. Кроме того, ткани организма способны окислять сукцинат. В этом случае транспорт пары электронов по дыхательной цепи обеспечивает синтез не трёх, а двух молекул АТФ, что, естест венно, снижает коэффициент полезного действия клеточного дыха ния и приводит к более сильной диссипации свободной энергии и образованию избыточного тепла. К усилению теплопродукции по средством перехода на окисление сукцината организм прибегает только в экстремальных условиях, когда испытывает сильное и про должительное переохлаждение. Разобщение окисления и фосфорилирования в дыхательной цепи митохондрий на холоде служит более распространённым меха низмом химической терморегуляции. Он присущ так называемому бурому ж иру - своеобразной разновидности жировой ткани, которая в сравнительно большом объеме имеется у животных, впадающих в зимнюю спячку, и у новорожденных детей. Она располагается в подмышечных впадинах, затылочной области, средостении и на 384 Биофизика спине между лопатками. У взрослого человека бурый жир присутст вует в ничтожно малом количестве в окружении внутренних органов и аорты, поскольку подвергается почти полной редукции при поло вом созревании, но при длительном проживании в условиях стабиль но низкой температуры окружающей среды может вновь появиться. Восстановление бурого жира в таких условиях было доказано в экс периментах на кроликах. Бурая жировая ткань содержит в своих клетках довольно крупные капли жира, окружённые большим коли чеством митохондрий. В буром жире присутствует специфический полипептид с молекулярной массой 32 кДа, обладающий способно стью разобщать окисление и фосфорилирование в митохондриях. Полипептид выделяется при охлаждении. При этом уменьшается синтез АТФ, и большая, чем обычно, доля свободной энергии воз буждённых Солнцем электронов преобразуется в тепло. За счет бу рого жира у животных, впадающих в зимнюю спячку, теплопродук ция может усиливаться в 500 раз, тогда как у взрослого человека не более чем на 10-15%. Все перечисленные механизмы изменения теплопродукции от носятся к химической терморегуляции. Они служат выработке до полнительного тепла при охлаждении организма. В жару химическая терморегуляция ослабляет термогенез. 7 .3 .2 . Эффекторы теплообмена (теплоотдачи) Физическая терморегуляция обеспечивается регулированием теплоизолирующих свойств тканей организма для внутреннего и, главным образом, для наружного потоков тепловой энергии. Динами ка уровней теплопроводности, конвекции и теплоизлучения определя ется прежде всего объёмной скоростью кровотока в коже и слизистых оболочках (для наружного потока тепловой энергии), а кровообраще ние, в свою очередь, зависит от сосудистого тонуса и регулируется из менениями просвета кровеносных сосудов. От кровотока в поверхностных тканях зависит также неощущаемое испарение (perspiratio insensibilis), однако количество жидко сти, выделяющейся на кожные покровы и подлежащей там испаре нию для охлаждения организма в жару и при усилении химической Гпава 7. Информация и регулирование в биологических системах 385 терморегуляции, определяется у человека главным образом секре торной активностью потовых желёз. Следовательно, в процессах физической терморегуляции ос новными эффекторами (исполнительными органами) регуляторных влияний служат гладкомышечные клетки кровеносных сосудов (пре имущественно артериол) и потовые железы. 7 .3 .3 . Физиологические механизмы терморегуляции Скелетным мышцам, которые служат основным эффектором в химической терморегуляции, присуща только нервная регуляция. В функционировании гладкомышечных клеток сосудов важную роль играют и нервная, и гуморальная, и местная регуляция. Однако местная регуляция сосудистого тонуса, имеющая важное значение в под держании необходимых уровней давления в системе кровообра щения и объёмного кровотока в том или ином органе, играет сравни тельно малую роль в терморегуляции. Правда, гладкомышечные клет ки кровеносных сосудов способны сами реагировать на понижение температуры расслаблением, что приводит к вазодилятации и усиле нию кровообращения в коже. Такая нерациональная реакция обычно запаздывает относительно рефлекторной констрикции сосудов кожи в ответ на охлаждение. Принято считать, что рефлекторная вазоконстрикция в таком случае способствует удержанию тепла в организме, а сменяющая ее вазодилятация способствует улучшению кровообра щения в коже для восстановления ее метаболизма после ее ослабления вследствие Холодовой рефлекторной ишемии. Гуморальная регуляция обеспечивает в химической и физической терморегуляции не столько быстрые механизмы, сколько долгосрочные. 7.3.3.1. Нервная регуляция постоянства температуры «ядра» тела Универсальным механизмом нервной регуляции служит р еф лекс. Как и другие функции организма, терморегуляция осуществля ется посредством безусловных и условных рефлексов. 25 - 9844 386 Биофизика Условнорефлекторная регуляция Вполне очевидна условнорефлекторная регуляция произволь ных движений, обеспечивающих терморегуляцию. Всякое усиление двигательной активности приводит к повышению теплопродукции (химической терморегуляции), но такие, к примеру, движения, как обмахивания веером, способствуют лучшему теплообмену с окру жающей средой (физической терморегуляции) и обычно приводят к некоторому охлаждению организма. Были выявлены и другие терморегуляционные условные реф лексы, причем эффекторами условнорефлекторных влияний являют ся как скелетные мышцы, так и другие органы (печень, почки), кото рым принадлежит важная роль в химической терморегуляции, а также гладкие мышцы стенок сосудов и потовые железы, влияю щие на физическую терморегуляцию. Условные рефлексы обеспечивают адекватное поведение чело века и животных при изменениях температурного режима. Речь идет о выборе жилища, одежды и обуви человеком, укрытия от холода и жары животными. В высших отделах центральной нервной систе мы формируется ощущение замерзания и перегревания, теплового комфорта. Условнорефлекторная деятельность служит важнейшим механизмом форпостного (упреждающего) регулирования теплово го баланса. Например, у человека, который только еще собирается выйти из теплого помещения в холодную атмосферу, заблаговремен но усиливается теплопродукция. Такая реакция не является врожден ной, а вырабатывается по мере приобретения жизненного опыта. Безусловнорефлекторная регуляция Рассмотрим более подробно рефлекторные дуги безусловных терморегуляционных рефлексов (рис. 7.8). Эф ф ерент ное звено. Начнём с эфферентного звена. Оно включает исполнительные органы-эффекторы: скелетные мышцы, печень, бурую жировую ткань, гладкие мышцы стенок сосудов, по товые железы, а также иннервирующие их эфферентные нервные во локна. Для скелетной мускулатуры ими служат аксоны (X - мотоней ронов) спинного мозга, сигнал с которых на миоциты обеспечивает холинэргическая передача. Естественно, что миорелаксанты ослаб- 387 Гпава 7. Информация и регулирование в биологических системах Кора больших полушарий головного мозга Терморецепторы гипоталамуса i s A ^ ПС У Температура Гипоталамус |I Термо рецепторы кожи U Средний м о з г ^ Продолговатый мозг Центральное звено Температура Другие периферические терморецепторы Аф ферентное звено Скелетные мышцы Эф ферентное звено Рис. 7.8. Схема безусловнорефлекторной регуляции температуры тела человека и животных ляют теплообразование, блокируя как произвольную, так и непроиз вольную термогенезную активность локомоторного аппарата (термо регуляционный тонус и дрожь). Недрожательный термогенез происходит преимущественно в печени и бурой жировой ткани, клетки которых иннервируются симпатическими нервными волокнами, причём в плазмолемме кле ток бурого жира и гепатоцитов присутствуют р-адренорецепторы. При их активации в гепатоцитах усиливаются гликогенолиз и глико лиз, а в буром жире - липолиз. Гладкомышечные клетки кровеносных сосудов (в частности, аритериол и аритерио-венозных анастомозов кожи) содержат в сар 25* 388 Биофизика колемме я-адренорецепторы, и эфферентные сигналы к ним поступа ют по постузловым симпатическим волокнам. В плазмолемме клеток потовых желез сосредоточены М-холинорецепторы, а иннервирующие их симпатические волокна обеспе чивают холинэргическую передачу, что свойственно предузловым волокнам вегетативной нервной системы. Поэтому потоотделение блокируется атропином и стимулируется парасимпатомиметиками (ацетилхолином, пилокарпином и другими). К потогонным средст вам относятся аспирин и другие салицилаты, соцветия липы, ягоды малины, листья мать-мачехи. Заметим, что в термонейтральных условиях (при тепловом ком форте) тепловой баланс гомойотермного организма поддерживается преимущественно посредством сосудодвигательных реакций в кож ных покровах тела: при повышении средней температуры тела тонус симпатических нервных волокон понижается, что приводит к расши рению сосудов и усилению теплообмена с окружающей средой; при понижении средней температуры тела тонус симпатических нервных волокон повышается, подкожные сосуды суживаются и теплообмен с окружающей средой ослабляется. По мере нарушения теплового комфорта к сосудодвигатель ным рефлексам в той или иной степени присоединяются рефлектор ные реакции других эффекторов терморегуляции. Ц ентральное звено дуг терморегуляционных безусловных рефлексов включает совокупность нейронов на всех «этажах» цен тральной нервной системы, участвующих в регуляции теплового баланса организма. В спинном мозге к ним относятся вставочные нейроны задних рогов, я-мотонейроны передних рогов и симпатиче ские нейроны боковых рогов. На эффекторных нейронах спинного мозга образуют синапсы аксоны вставочных нейронов спинного мозга, а также вышележащих отделов центра терморегуляции. К ним принадлежат кора больших полушарий головного мозга, лимбиче ская система (амигдалярый комплекс и гиппокамп), гипоталамус, мозжечок, средний и продолговатый мозг. Каждый отдел играет свою роль в терморегуляции - свою подфункцию в терморегулятор ной функции всего центра. Глава 7. Информация и регулирование в биологических системах 389 Спинной мозг обеспечивает не только непосредственный выход сигналов из центральной нервной системы к эффекторам терморегу ляционной системы. У млекопитающих и птиц в нем найдены два типа нейронов, реагирующих на понижение температуры самого спинного мозга, что бывает в том случае, когда к нему по венозным сосудам при текает кровь, охлажденная в коже спины в области лопаток. Нередко в литературе спинной мозг называют вторым по значи мости отделом терморегуляционного центра, отдавая пальму первен ства гипоталамусу. При его разрушении гомойотермное животное превращается в пойкилотермное. Участие гипоталамуса в терморегу ляции установил К. Бернар в середине XIX века - при уколе иглой ги поталамуса повышалась температура тела кролика, чего не было при механической стимуляции других отделов мозга. Такое воздействие на гипоталамус автор открытия назвал «тепловым уколом». При сти муляции электрическим током преоптической области гипоталамуса (пара-вентрикулярного, супраоптического, супрахиазмального ядер) расширяются сосуды кожи, возникают потоотделение и тепловая от дышка, тогда как разрушение этих ядер делает животных неспособ ными переносить жару. Следовательно, с передним гипоталамусом преимущественно связана регуляция теплоотдачи (физическая термо регуляция). Электростимуляция заднего гипоталамуса (вентромедиального и дорсоме-диального ядер) приводит к гипертермии, усилению липолиза, гликолиза и гликогенолиза, возникновению дрожи. При разру шении ядер заднего гипоталамуса животные плохо переносят холод. По-видимому, задний гипоталамус обеспечивает химическую термо регуляцию - его считают центром теплопродукции. Согласно нейронной модели функционирования терморегуля ционного центра (Bligh, 1972), сигналы, поступившие в гипоталамус, обрабатываются строго специфичными вставочными нейронами: от Холодовых рецепторов - только «Холодовыми» нейронами, от тепло вых рецепторов - только «тепловыми» нейронами. От вставочных нейронов информация передается так называемым интегрирующим нейронам, которые тоже строго специфичны, причем «тепловые» ин тегрирующие нейроны возбуждаются сигналами от «тепловых» и тормозятся сигналами от «Холодовых» вставочных нейронов. Для 390 Биофизика «холодовых» интегрирующих нейронов характерны противопо ложные влияния. Значит, между «тепловыми» и «Холодовыми» ин тегрирующими нейронами существуют реципрокные отношения. С интегрирующих нейронов сигналы поступают непоспредственно на эффекторные нейроны гипоталамуса, сосредоточенные в его задней (каудальной) части. Они тоже специфичны по отношению к информации о нагревании или охлаждении. Следовательно, в сис теме терморегуляции кодирование качества стимула (холод или теп ло) осуществляется по принципу «меченой линии». Аксоны эффекторных нейронов гипоталамуса следуют к ядрам ретикулярной формации среднего и продолговатого мозга в нисходя щем медиальном пучке. Далее сигналы направляются к ядрам пе редних и боковых рогов спинного мозга, регулируя активность ис точников соматической (анимальной) и симпатической иннервации эффекторов терморегуляции. Регулируются механизмы теплопродук ции и теплообмена, т.е. управляется как химическая, так и физическая терморегуляция. В медиальной преоптической области переднего гипоталамуса имеются нервные клетки, формирующие так называемую уставку. В кибернетике уставкой называют уровень регулируемой функции, которой должна обеспечить система регуляции по отклонению. В системе терморегуляции уставка является функцией порого вых температур в конкретных условиях жизнедеятельности. С устав кой сравнивается выходная характеристика системы, т.е. реальный результат регулирования. Уставка и выходная характеристика посту пают в элемент сравнения. Если между ними нет тождества, то эле мент сравнения выдаёт сигнал на регулятор, который подгоняет вы ходную характеристику под уставку. Исследователи терморегуляции предполагают, что в переднем гипоталамусе присутствуют как нейроны, формирующие уставку, так и нейроны, играющие роль элементов сравнения. По-видимому, эту функцию выполняют интегрирующие нейроны. С последних сиг нал об ошибке регулирования (расхождении между уставкой и вы ходной характеристикой) поступает в задний гипоталамус, который, в свою очередь, управляет нижележащими отделами центра терморе гуляции. Забегая вперёд, следует заметить, что переднему гипотала Гпава 7. Информация и регулирование в биологических системах 391 мусу свойственна и терморецепция, обеспечивающая анализ темпе ратуры крови в сосудах мозга. Кроме того, гипоталамус осуществляет регуляторные влияния на эффекторы терморегуляции через эндокринную систему. Так, гипоталамические нейроны продуцируют трипептид под названием тиреотропин - рилизинг-гормон, который приносится кровью в перед нюю долю гипофиза и стимулирует там выработку тиреотропного гормона, а он, в свою очередь, в щитовидной железе усиливает синтез тироксина и трийодтиронина. Эти гормоны весьма эффективно регу лируют теплообразование и тем самым участвуют в поддержании оп ределенной температуры тела. Аналогичные, опосредованные други ми гормонами, влияния на метаболизм, а значит, и на химическую терморегуляцию, оказывают гипоталамические кортико-тропин-рилизинг-гормон, гонадотропин-рилизинг-гормон, рилизинг-фактор гормона роста. Однако их роль в регуляции температуры тела, по-видимому, меньше, чем у тиреотропин-рилизинг-гормона. В физиологии существует представление о «гипоталамическом термостате». К нему относят весь терморегуляционный комплекс ги поталамуса, в котором интегрируется информация от терморецепто ров кожи, мышц, внутренних органов и переднего гипоталамуса для создания адекватной (взвешенной) выходной характеристики термо регуляционного процесса, которая сравнивается с выработанной в этом же «термостате» уставкой, и формируются сигналы к эффек торам системы терморегуляции. В этой системе уставка - не постоянная величина. Она изменя ется под влиянием внутренних и внешних факторов, из которых в нормальных условиях главным является температура окружающей среды. При лихорадке такими факторами служат эндогенные пироге ны. На холоде уровень уставки повышается, т.е. устанавливается та кой уровень регулирования, который обеспечивает большее напряже ние терморегуляционного комплекса для поддержания нормальной температуры «ядра». Поэтому у всех гомойотермных животных во время острого холодового воздействия температура «ядра» увеличе на на несколько десятых долей градуса. Высшие отделы центра терморегуляции сосредоточены в сома тосенсорной коре. Она даёт возможность организму регулировать 392 Биофизика температуру в форпостном режиме, т.е. не подгонять под уставку вы ходную характеристику после её отклонения от должного уровня, а предупреждать эти отклонения, когда условия существования орга низма могут к ним привести (при изменении температуры окружаю щей среды, физической работе и т.п.). Упреждающее (форпостное) регулирование осуществляется системами автоматического управле ния по возмущению. Важнейшим элементом таких систем является кора головного мозга высших животных и человека. Как уже говорилось, в системах регулирования по отклонению на элемент сравнения подают уставку и информацию о выходной ха рактеристике. В системе терморегуляции значительная доля этой ин формации содержится в сигналах, поступающих от терморецепторов по афферентным путям. Афферентное звено безусловных терморегуляционных реф лексов включает афферентные волокна (дендриты чувствительных нейронов) и разнообразные терморецепторы. Среди них принято вы делять центральные и периферические терморецепторы. К первым относятся главным образом терморецепторы перед него гипоталамуса. Их открыли в 1961 г. японские физиологи (Накаяма с соавторами). Они представляют собой модифицированные нейроны, которые приобрели способность реагировать на повыше ние температуры протекающей мимо них крови. Их чувствитель ность характеризуется пороговым сдвигом этой температуры, кото рый составляет всего 0,011 °С. Когда температура крови находится в пределах 37,2-37,5 °С, в нервных волокнах, отходящих от терморецепоров переднего гипоталамуса, регистрируется импульсация частотой около 7 имп • с-1. При возрастании температуры до 3 8 40 °С частота повышается примерно вдвое. Подобную ситуацию мо делируют локальным нагреванием переднего гипоталамуса. В ре зультате расширяются сосуды кожи, повышаются кровяное давле ние в артериях, частота сердечных сокращений и дыхательных движений, возрастает минутный объем дыхания, усиливается испа рение воды кожей. На рис. 7.9 представлены данные о том, что у 8 различных тер мочувствительных нейронов из гипоталамуса обнаруживаются рез- Гпава 7. Информация и регулирование в биологических системах 393 Рис. 7.9. Реакции разных нейронов гипоталамуса на температуру (Cabanac et а!., 1968) кие различия в ходе кривых, отражающих зависимость «частота температура». Функциональная индивидуальность различных термочувстви тельных нейронов гипоталамуса проявляется не только в частоте и ха рактере зависимости «частота - температура». Термочувствительные нейроны имеют еще индивидуальный паттерн временной последова тельности импульсов и индивидуальные особенности изменений это го паттерна при температурных воздействиях. На рис. 7.10 приведены образцы такого рода паттерна для 7 отдельных термочувствительных нервных клеток. Такие изменения паттерна импульсации могут происходить и без существенных сдвигов общей частоты импульсации. Следовательно, можно предполагать, что наряду с частотным кодом, существует еще и особый «код» температурного восприятия, который заключается в специфических изменениях характера (временных последовательно стей, паттернов) импульсации. Изучение изменений частоты их импульсации в диапазоне фи зиологических температур у животных (от 34 до 40 °С) показало, что температурная характеристика типичных нейронов имеет колоколо образный вид. Каждый термочувствительный нейрон имеет некото рый температурный максимум частоты. По обе стороны от максиму ма в типичных случаях частота уменьшается. 394 Биофизика 1НН Н+—I 1— и— 2 т— ж —ш —i— i—и — 3 11 - H M I I Ш ' Ь Н Н 4 н I I п и llf f i i » t — ■■■ ■ 5 № М 1 1 1 И Ш Ш М Ш И И I ШИН пищ 6 7 I |[ Ш И \ ( ' 11 I I II I 1И — I— М — Гс IM 1 -+ - 1 Рис. 7.10. Примеры импульсации семи различных термочувствительных нейронов гипоталамуса К периферическим терморецепторам относят терморецепторы кожи, слизистых оболочек дыхательных путей и желудочно-кишечно го тракта, кровеносных сосудов, мышц, внутренних органов. Это ог ромное терморецепторное поле. Морфологи описали ряд инкапсули рованных нервных телец (например, колбы Краузе, цилиндрические окончания Руффини), а также свободные нервные окончания, способ ные отвечать на изменения температуры окружающих их тканей. Наи большая плотность терморецепторов находится в коже лица и шеи. В отличие от центральных терморецепторов, весьма чувствительных к нагреванию и потому являющихся преимущественно тепловыми, среди периферических доминируют холодовые, но есть и тепловые. Один нервный ствол может давать несколько терминалей, ди хотомически разветвляясь несколько раз. Терминали имеют диаметр всего 2 -4 мкм и содержат по нескольку митохондрий. Известно, од нако, что для одного нервного волокна, отходящего от терморецеп торов, площадь рецептивного поля составляет около 1 мм2 (Duclaux, Kenshalo, 1980). Большой интерес представляет глубина залегания терморецеп торов кожи, так как от этого могут зависеть их физиологические «за Гпава 7. Информация и регулирование в биологических системах 395 дачи». До недавнего времени считали, что они залегают сразу под эпидермисом, не глубже 400 - 600 мкм от поверхности. Однако с по мощью особых, достаточно точных биофизических методов исследо вания удалось установить, что терморецепторы расположены во всей толще кожи, вплоть до границы кожи с подкожной клетчаткой. Од нако наибольшая плотность расположения этих рецепторов выявле на на глубине 0,17 мм от кожной поверхности. Если температуру кожи повышать ступенчато, т.е. давать вре мя терморецептору для установления постоянной импульсации, то терморецепторы обнаруживают характерную колоколообразную ха рактеристику для отношений «температура - частота импульсации». Иначе говоря, они повышают частоту импульсации от какой-то ис ходной величины, достигают максимума частоты и затем снова сни жают ее до нуля. Вторая важнейшая черта работы терморецептора - фазная р е акция. При скорости изменений температуры кожи примерно от 0,5 °С/с и выше они дают резкое увеличение (или уменьшение) час тоты импульсации, которая затем снижается (или повышается) до уровня, свойственного данному рецептору при данной (постоянной) температуре кожи. Третья важная черта - значительная индивидуальность свойств по порогам и характеристикам «температура-частота импульсации». Частота импульсации в афферентных волокнах, проводящих в центральную нервную систему сигналы от Холодовых рецепторов, повышается при охлаждении. Так, понижение температуры кожи от 33°-34 °С до 27 °С приводит к максимальному учащению афферент ной импульсации. В коже человека находится примерно 250 тысяч Холодовых рецепторов. Как следует из рис. 7.11, холодовые рецепторы кожи имеют различные частоты и различные углы наклона кривых повышения частоты при понижении температуры кожи от 35—40 до 20-25 °С. Видно, что при температуре кожи 20-25 °С частота импульсации остается еще достаточно высокой по сравнению с величиной экст ремума. На рис. 7.12 представлены два Холодовых рецептора кожи спинки носа кролика с классической колоколообразной формой кри 396 Биофизика f. Гц n °L 20 30 40 f, °C Puc. 7.11. Индивидуальные характеристики зависимости «частота импульсации - температура» 10 Холодовых рецепторов кожи (Kenshalo et al.1976) По оси ординат - частота импульсации Гц, по оси абсцисс - температура кожи °С вой зависимости «температура - частота» и два рецептора с резко асимметричным распределением. Вообще говоря, экстремум у Холо довых рецепторов может располагаться в очень широкой зоне темпе ратур от 10-15 °С (и даже ниже) и до 30-35 °С. В последнем случае холодовые рецепторы приближаются по свойствам к тепловым. Индивидуальность кожных терморецепторов проявляется так же в характере временной последовательности импульсной активно сти или в паттерне импульсации.Большая и далеко не решенная про блема - «кодирование» температуры терморецепторами. Дело в том, что при колоколообразной кривой зависимости «температура - час тота» по обе стороны от экстремума частота импульсации будет оди наковой при различных температурах кожи. Это происходит потому, что частота падает как при понижении, так и при повышении темпе ратуры кожи. Так, например, если экстремум в «классическом» слу чае достигается при 30 °С, то при снижении температуры на 5 °С (т.е. до 25 °С) и при повышении температуры кожи на 5 °С (т.е. до 35 °С) частота импульсаций окажется равной. Возникает вопрос: как же «различают» нервные центры две эти разные температуры, если 397 Гпава 7. Информация и регулирование в биологических системах О 10 20 30 t,° С 0 10 20 40 f, °С Рис. 7.12. Различные характерист ики зависимост и «частота импульсации температура» Холодовых рецепт оров кож и спинки носа у кролика при непрерывном изменении температуры кож и со скоростью 0,2-0,4 °С/мин. А - два Холодовых рецепт ора с классическим распределением частот; Б - два других Холодовых рецепт ора с асимметричным распределением частот частота импульсации, достигающая нервных центров терморегуля ции, оказывается одинаковой? Интересно, что хотя специфическая импульсация кожных тер морецепторов изучается более 50 лет, такой вопрос возник сравни тельно недавно. Тщательное изучение особенностей временной по следовательности (паттерна) импульсации терморецепторов дает ответ на этот вопрос. Дело в том, что хотя частота импульсации дейст вительно может падать довольно равномерно по обе стороны от экс тремума, паттерн временной последовательности импульсов на обоих «склонах колокола» оказывается различным. На рис. 7.13 приводятся данные, из анализа которых видно, что постепенное и непрерывное понижение температуры кожи сопрово ждается изменением не только частоты, но и характерного паттерна импульсации. У Холодовых рецепторов кожи спинки носа кошки, конечностей обезьян и человека частота колеблется в зависимости от температуры кожи в стационарном режиме от нуля до 10 Гц и выше. Имеется в виду диапазон температур кожи от 10 до 40 °С. При медленном непрерыв ном изменении температуры кожи, что имело место в опытах, измене ние частоты Холодовых терморецепторов было более значительным (рис. 7.12). 398 Биофизика А 7 = 2 3 ,2 °С 13 Гц 7 = 2 1 ,5 "С 18 Гц 7 = 15,5 °С 25 Гц 7 = 14 'С 18 Гц 7 = 9 ,8 °С 3 Гц 7 = 27 °С 5 Гц 7 = 19,5 °С 11 Гц 7 = 14 °С 9 Гц 7 = 1 1 ,5 °С 4 Гц 7 = 10,5 °С 4 -5 Гц 1с Б 1с Рис. 7.13. Д ва рецептора (А и Б) кожи морды кролика с разным характером импульсации и разной температурой частного экстремума Воздействие - непрерывное изменение температуры кожи со скоростью 0,2 -0 ,4 °С/мин Отметка времени -1 с. Над каждой нейрограммой обозначены температура кожи (Т) и средняя частота импульсации за несколько секунд. Затем импульсация восстанавливается и приобретает частоту, свойственную установившейся температуре кожи Важным свойством терморецепторов является способность резко изменять частоту импульсации при очень быстрых изменениях Гпава 7. Информация и регулирование в биологических системах 399 температуры кожи. Так, например, понижение температуры кожи со скоростью 0,4-2 °С/с вызывает в холодовых рецепторах кожи спинки носа кошки быстрый подскок частоты до 20-80 Гц и более. Затем частота устанавливается на уровне, свойственном стационарной им пульсации при данной температуре. Аналогичные реакции по форме и величине были найдены для холодовых рецепторов кожи обезьян и человека. Надо заметить, что величина динамического ответа зависит от быстроты и величины (диапазона) понижения температуры кожи. В общем реакция тем больше, чем больше скорость и диапазон перепада. В коже наряду с Холодовыми присутствуют и тепловые рецеп торы (к ним относятся в частности тельца Руффини), но в меньшем количестве (около 30 тысяч), чем холодовые. Сигналы от них дости гают максимальной частоты при повышении температуры кожи от 33-34 °С до примерно 45 °С. Тепловые рецепторы лежат глубже хо лодовых. Наибольшая плотность тепловых рецепторов отмечена на глубине около 0,3 мм. Это совпадает с расстоянием, на котором фо кусируется инфракрасное излучение Солнца. Применяемые в радио локации СВЧ-лучи проникают на большую глубину и нагревают тка ни преимущественно вне зоны расположения тепловых рецепторов, в связи с чем говорят о «коварстве СВЧ-излучения», поскольку на их тепловой эффект организм реагирует неадекватно. Специфические терморецепторы внутренних органов. Вопрос о наличии во внутренних органах или в глубоких тканях тела специфи ческих терморецепторов поставлен очень давно. Однако в отличие от совершенно ясных и четких фактов наличия специфических термосен соров в гипоталамусе, среднем, продолговатом, спинном мозгу, а так же на огромной кожной поверхности организма, данные о существова нии специфических терморецепторов во внутренних органах пока неубедительны. Нельзя отрицать существование температурной чувствительно сти во внутренних органах и кровеносных сосудах. Однако не имеется достаточно веских аргументов, что эта температурная чувствитель ность имеет какое-либо значение для регуляции и поддержания посто янства температуры у гомойотермных животных. Отметим, что в тща тельных исследованиях Кранстона и соавторов (Cranston et al., 1977, 400 Биофизика 1978) не было найдено специфических терморецепторов в правом сердце, легких, задней полой вене, печени, печеночных венах. Имеют ся сведения о высокой температурной чувствительности каротидных телец (Gallego etal., 1979), а также мышечных веретен (Meuse, 1978). В итоге можно сказать, что существуют отдельные факты о температурной чувствительности глубоких тканей и органов. Од нако участие соответствующих структур в терморегуляции не дока зано. Поэтому в настоящее время нет веских оснований включать в схему терморегуляции гомойотермного организма гипотетические терморецепторы внутренних органов. Периферические терморецепторы классифицируются по тем пературному порогу (DT) на высокочувствительные (DT < 0,1 °С), среднечувствительные (DT около 1 °С) и низкочувствительные (DT порядка 10 °С). В передаче информации от периферических терморецепторов участвуют тонкие миелиновые волокна типа Аб и безмякотные волок на типа С. Каждое волокно имеет свой довольно узкий (примерно 5°) оптимум температурной чувствительности. Изменение температуры на 1° в пределах этих 5° вызывает повышение частоты афферентной импульсации в отдельном волокне на 2 имп-с-1 (на 20% максималь ной частоты). Различия в диапазонах оптимальной чувствительности у разных терморецепторов в пределах одного рецепторного поля даёт возможность организму с достаточной точностью «измерять» измене ния температуры тела. У человека частота импульсации в экстремуме достигает 1013 Гц. Экстремум отмечается при температуре кожи 40-47 °С. При повышении температуры кожи от 32 до 37 °С со скоростью от 0,5 до 1,5 °С в секунду наблюдается динамический эффект, который тем больше, чем с большей скоростью происходят изменения температу ры. При скорости 1,5 °С/с частота импульсации составляет 20-22 Гц. При повышении температуры кожи со скоростью 1,5 °С/с от 37 до 42 °С частота импульсации достигает даже 40 Гц (рис. 7.14). Теперь коснемся некоторых общих проблем терморецепции. Отметим, что вообще в коже животных и человека тепловых рецеп торов меньше, чем холодовых. Этому соответствует и число Холодо вых и тепловых точек на коже человека. Гпава 7. Информация и регулирование в биологических системах 401 Рис. 7.14. Статистическая импульсация трех тепловых рецепторов кожи носа кошки. Характеристика зависимости «частота импульсации - температура» (Hensel, Kenshalo, 1969) Важно заметить, что изменение температуры кожи на 1 °С вы зывает сдвиг импульсации холодового рецептора кожи в стациона ром режиме на 1,0 Гц, а для теплового - на 1,4 Гц. При динамической реакции Холодовой терморецептор изменяет импульсацию в среднем на 50 Гц, а тепловой - на 70 Гц. Максимум частоты при динамиче ской реакции у холодового рецептора достигает 240 Гц, а у теплово го - 200 Гц. Эти факты могут говорить о том, что чувствительность кожи определенных участков тела животного к изменениям темпера туры в диапазоне 35^10 °С сравнительно высока. Возможно, столь высокая тепловая чувствительность спинки носа животного имеет отношение к поведенческой терморегуляции или вообще к ориенти ровочным реакциям, не имеющим связи с терморегуляцией. Афферентные волокна от периферических рецепторов тулови ща проходят в составе спинальных нервов и прерываются в задних рогах спинного мозга. Для него характерна выраженная дивергенция сигналов от терморецепторов. К одному нейрону могут прийти им пульсы и от терморецепторов, и от болевых, и от тактильных рецеп торов, но исключено поступление на один нейрон сигналов от Холо довых и тепловых периферических рецепторов. 26 - 9844 402 Биофизика Скорости проведения импульсов от Холодовых рецепторов су щественно зависят от места расположения этих рецепторов. Так, на пример, от кожи ладони скорость проведения импульсов в среднем составляет 14,5 ± 4,6 м/с, а от волосистой части кожи верхней и ниж ней конечностей - 0,6-0,7 м/с. Для импульсов от тепловых рецепто ров скорость проведения (от 0,4 до 1,2 м/с) в среднем меньше, чем для холодовых. Можно полагать, что импульсы от тепловых рецеп торов проводятся немиелинизированными волокнами, тогда как от холодовых рецепторов в проведении участвуют как бсзмякотные, так и миелиновые волокна. Проводящие пути Холодовой и тепловой чувствительности в стволе мозга функционируют также независимо друг от друга. От нейронов задних рогов нервные импульсы распространяются контр латерально по спиноталамическому тракту к вентро-базальным ядрам таламуса и по спиноретикулярному тракту к нейронам ретикулярной формации. В таламус стекается информация от терморецепторов кожи головы и слизистых оболочек носа и ротовой полости, афферентную импульсацию с которых проводят волокна тройничного нерва. После синаптической передачи в таламусе сигналы от терморецепторов мо гут достигать нейронов соматосенсорной коры больших полушарий головного мозга и гипоталамуса. В коре формируются теплоощущения, причём ощущение теплового комфорта создаётся на основе сиг налов от периферических терморецепторов. 7.3.3.2. Гуморальная регуляция Среди гуморальных регуляторов температуры тела необходимо назвать такие вещества, как адреналин, ацетилхолин, гормоны щито видной железы, глюкокортикоиды, глюкагон, мелатонин (гормон эпифиза), ненасыщенные жирные кислоты, липопротеиды низкой плотности. Адреналин влияет на физическую терморегуляцию, сужи вая подкожные сосуды и тем самым ослабляя теплообмен с окружаю щей средой. Вместе с тем он, наряду с глюко-кортикоидами и глюкагоном, оказывает воздействие на химическую терморегуляцию, усиливая теплопродукцию за счет активации гликогенолиза и глико лиза в печени, а также липолиза в жировой ткани (включая и бурый Гпава 7. Информация и регулирование в биологических системах 403 жир) и окисления жирных кислот. Гормоны щитовидной железы рез ко усиливают метаболизм, преимущественно процессы катаболизма, коэффициент полезного действия которых составляет 20-25%. Ос тальная энергия (80-75%) идет на теплообразование в организме. Ти роксин и трийодтиронин, повышая валовый уровень энергетических процессов, увеличивают термогенез при неизменном коэффициенте полезного действия. Поэтому при тиреотоксикозе (базедовой болез ни) больные испытывают чувство жара. Содержание гормонов щито видной железы регулируется тиреотропным гормоном гипофиза, продукция которого находится под контролем тиреотропин-рилизинг-гормона, синтезируемого нейронами гипоталамуса. Участие мелатонина в терморегуляции было выявлено при вступлении животных в зимнюю спячку и выходе из нее. Гормон оказывает прямое действие на гипоталамус, смещая уровень уставки для обеспечения охлаждения организма. Смещение уставки происхо дит постепенно и довольно медленно, благодаря чему температура «ядра» плавно понижается до 5-15 °С. Угнетаются все функции моз га, половая активность, гормонообразование в щитовидной железе и надпочечниках, тогда как скорость секреции (инкреции) инсулина возрастает. Во время спячки энергообеспечение организма осущест вляется за счет окисления жира, а гликоген не расходуется. Частота сердечных сокращений и дыхательных движений составляет всего 10% от уровня бодрствования. В отличие от погружения в спячку, пробуждение происходит не медленно, а быстро (за 60-80 минут). Уровень уставки повышается за считанные минуты, что резко активирует центр теплопродукции гипо таламуса, а он, в свою очередь, быстро стимулирует окисление бурого жира. Температура «ядра» повышается с 5-15° до 38 °С за 1-1,5 часа. 7.3.4 . Адаптация организма к низкой и высокой температуре Для лучшего понимания взаимодействия разных механизмов терморегуляции рассмотрим в качестве примера адаптацию организ ма к охлаждению. На понижение температуры окружающей среды прежде всего реагируют периферические холодовые рецепторы. Сиг 26* 404 Биофизика налы с них поступают к нейронам задних рогов спинного мозга пре имущественно по спинальным нервам. Синаптическая передача обес печивает контрлатеральное распространение нервных импульсов по восходящему спиноталамическому тракту. Из ядер таламуса информа ция поступает как в соматосенсорную область коры головного мозга и лимбическую систему, так и в гипоталамус. В результате «гипоталамический термостат» формирует систему реакций, обеспечиваю щих и физическую, и химическую терморегуляцию. Они направлены на поддержание постоянства температуры «ядра» гомойотермного животного даже на холоде. Исполнительные органы системы терморегуляции активиру ются в определенной последовательности. Прежде всего происходит рефлекторное сужение артериол кожи посредством возбуждения сиг налами, формирующимися в заднем гипоталамусе, симпатических нейронов в боковых рогах спинного мозга. Повышение частоты им пульсации в симпатических волокнах приводит к констрикции глад комышечных клеток кожных артериол и уменьшению теплоотдачи. Нередко спазм подкожных кровеносных сосудов сменяется их расширением, что обусловлено чувствительностью самих гладкомы шечных клеток к холоду. Такая реакция предупреждает ишемию кожи, но усиливает теплоотдачу, что не способствует сохранению те пла в организме и не препятствует переохлаждению. Целесообразно предупреждать этот неблагоприятный эффект, но заботиться одно временно о состоянии кожных покровов. При усилении холода рефлекторно открываются артерио-венозные анастомозы в коже, благодаря чему уменьшается объем крови, поступающей в капилляры, а следовательно, ограничивается теплоот дача, и тепло сохраняется в организме. Параллельно с ослаблением кровообращения в подкожных сосудах усиливается кровоток во внут ренних органах (особенно в брюшной полости), благодаря чему сбе регается тепло в «ядре». Животные обычно свертываются «калачи ком», чем уменьшается (примерно на 35%) поверхность теплообмена с окружающей средой. Благодаря повышению активности симпатиче ских волокон, иннервирующих гладкие мышцы, поднимающие воло сы, у них возникает пилоэрекция, улучшающая теплоизоляцию за счет улучшения воздушной прослойки. Гпава 7. Информация и регулирование в биологических системах 405 Если температура «ядра» станет меньше 35° С, то наступает так называемая гипотермия. При ней к рефлекторному ограничению теплоотдачи (физической терморегуляции) присоединяется усиление теплопродукции (химическая терморегуляция) за счет непроизволь ного сокращения скелетных мышц (терморегуляционного тонуса и дрожи) и механизмов несократительного термогенеза. Вместе с тем в таком состоянии человек и животные прибегают к усилению про извольной мышечной деятельности (ходьбе, бегу, прыжкам и т.п.), а также к приему пищи (лучше горячей). К нервной регуляции при соединяется гуморальная: активируется продукция гормонов щито видной железы глюкокортикоидов, катехоламинов, глюкагона, кото рые стимулируют преимущественно несократительный термогенез. На ж ару реагируют периферические тепловые рецепторы, но если высокая температура окружающей среды приводит к повыше нию температуры крови, притекающей к гипоталамусу, хотя бы на сотую долю градуса, то возбуждаются центральные терморецепторы. Сигналы от тепловых рецепторов активируют «гипоталамический термостат», который включает в определенной последовательности систему реакций, обеспечивающих тепловой баланс гомойотермного организма. При высокой температуре окружающей среды возрастает тепло отдача и прежде всего за счет испарения. Для его интенсификации уси ливается потоотделение. Эту рефлекторную реакцию обеспечивают холинэргические симпатические волокна. Вслед за гипергидрозом расширяются кровеносные сосуды благодаря урежению импульсации в адренэргических симпатических волокнах, воздействующих на а-адренорецепторы, в результате усиливается кровоток как в коже, так и в сосудах, отводящих тепло от внутренних органов, что неизбежно приводит к увеличению внешнего и внутреннего тепловых потоков и повышению теплоотдачи организма. Этому способствует повыше ние объемной скорости кровообращения благодаря рефлекторному выбросу крови из депо и дегидратации тканей (с переходом воды из них в кровеносные сосуды). При дальнейшем нагревании понижается метаболическая активность, а следовательно, угнетаются механизмы теплообразования, чему способствуют также ограничение двигатель ной активности, создание конвективных потоков вокруг тела и другие 406 Биофизика произвольные способы охлаждения. При повторяющихся воздействи ях высокая температура окружающей среды снижает секрецию гормо на роста, тироксина и трийодтиронина, глюко-кортикоидов, половых гормонов, а все это также ослабляет метаболическую активность и, следовательно, теплопродукцию. Не зря системы, регулирующие температуру тела у гомойтермных животных, формируются в ранней стадии онтогенеза. Тео ретически жизнь возможна в узком диапазоне температур окружаю щей организм среды, поскольку белки денатурируют при 45 °С, а кристаллизуются, как и вода, при 0 °С. Однако жизнь существует и в тропиках (при температуре в тени до 65 °С), и на полюсах Земли, где температура опускается ниже -6 5 °С. Совершенство системы терморегуляции, рассмотренной выше, позволяет преодолеть теоретический запрет на жизнь в неблагоприят ных климатических условиях. Мало того, животные в процессе эволю ции приобрели способность управлять своим тепловым состоянием для борьбы с другими живыми организмами. Речь идет о лихорадке. 7 .3 .5 . Лихорадка По определению Международного общества физиологических наук (IVPS), лихорадка принципиально отличается от гипертермического состояния организма, поскольку при гипертермии терморегу ляция направлена на понижение высокой температуры, а при лихо радке повышенная температура тела поддерживается на высоком уровне своеобразной активностью центральных механизмов термо регуляции. Суть различий состоит в том, что при гипертермии не изменяет ся уровень уставки. Когда же организм человека и животных включа ет свой термогенез в борьбу с микробами, вирусами, грибками и дру гими агентами, он повышает уровень уставки («терморегуляционной установочной точки») в гипоталамусе. При этом организм, имея нор мальную температуру, испытывает состояние гипотермии, и его «гипоталамический термостат» включает реакции, направленные на уст ранение не гипертермии, а гипотермии, поскольку нормальная температура воспринимается как пониженная относительно нового Гпава 7. Информация и регулирование в биологических системах 407 уровня уставки. И на гипотермию организм реагирует вазоконстрикцией в коже и пилоэрекцией (для ограничения теплоотдачи), а также мышечной дрожью (для усиления теплопродукции). Человек при пе реходе на новый уровень уставки испытывает ощущение озноба. Его перестает знобить, когда достигается новый уровень терморегуляции. Благодаря активации терморегуляторных механизмов темпера тура «ядра» повышается до возросшего уровня уставки. Наступает со стояние якобы нормотермии (относительно нового уровня уставки), но на самом деле (относительно прежнего уровня уставки) температу ра тела при лихорадке выше обычной нормы. Когда врачи убедились в благотворном эффекте лихорадки в борьбе человека с инфекцией, началась разработка технологий пирогенотерапии. Были изучены эк зогенные пирогены (от микробов, вирусов, грибков и их токсинов до синтетических низкомолекулярных соединений, примером которых является мурамилди-пептид). Под влиянием таких агентов в организме образуются эндоген ные пирогены, представляющие собой протеины с молекулярной массой от 10 до 40 кДа. Их синтезируют различные лейкоциты, альве олярные макрофаги, клетки печени и селезёнки. Посредством изме нения темпа и объёма их продукции регулируется высота лихорадки. Именно эндогенные пирогены действуют на гипоталамус и повыша ют уровень уставки. Предполагают, что пирогены стимулируют в гипоталамусе об разование простагландина Е из арахидоновой кислоты, поскольку его содержание там возрастает под действием пирогенов. Аргументы в пользу участия простагландина Е в повышении уровня уставки и развитии лихорадки сводятся главным образом к двум фактам. Во-первых, при его инъекции в гипоталамус развивается типичная ли хорадка. Во-вторых, аспирин препятствует развитию лихорадки, а его действие обусловлено подавлением активности циклооксигеназы фермента, катализирующего образование простагландина Е из арахи доновой кислоты. Поэтому уже более века аспирин служит эффектив ным жаропонижающим лекарством. Учитывая благотворность лихо радки в определенных пределах, врач и фармацевт должны понимать, когда жаропонижающие препараты полезны, а когда их применять не следует. 408 Биофизика Что же касается лихорадки, то изучение её патогенеза подтвер дило современную физиологическую концепцию механизмов термо регуляции человека. 7 .3 .6 . Математическое моделирование терморегуляции Исследование процессов терморегуляции человека с помощью математических моделей ведутся более 30 лет. Первой работой такого типа была модель процессов теплообмена в руке человека. В опреде ленной степени приведенное в этой работе математическое описание явилось исходным для последующих моделей, так как в нем учитыва лись основные тепловые процессы: теплообразование в результате обменных процессов, теплообмен кондукцией, перенос тепла кровью, теплообмен с внешней средой. В последующих работах большинство исследователей рассматривали систему терморегуляции как систему автоматического управления, выделяя в ней объект управления и ре гулятор. Модели объекта (пассивная система по Столвику и Харди, фи зическая модель по Аткинсу и Вайндхему, управляемая система по Столвику) отражали тепловые процессы в теле человека с учетом его основных теплофизических свойств и физиологических процессов, участвующих в теплообмене. В этом плане модели различных авто ров в принципе близки между собой и отличаются степенью деталь ности описания геометрической формы и послойной температурной топографии тела. Регулятор формирует величины терморегуляторных реакций сосудодвигательные реакции кожи, потоотделение, сократительный и несократительный термогенез в зависимости от отклонения регули руемой величины и информации с температурных рецепторов кожи. В основу алгоритма управления закладывается та или иная гипотеза о цели регулирования в системе, в первую очередь о том, какой пока затель теплового режима организма может быть выбран регулируе мой переменной. В физиологии терморегуляции и соответственно в работах по математическому моделированию существует два ос новных подхода к этому вопросу: принцип установочной точки и ди 409 Глава 7. Информация и регулирование в биологических системах намического баланса. На рис. 7.15 приведены принципиальные схе мы моделей, основанных на этих двух принципах. в) г) Рис. 7.15. Принципиальные схемы моделей температурного гомеостазиса, основанные на принципах уст ановочной точки или динамического баланса (по данным Дж . Блая) а - схема системы, в которой сигнал обратной связи (ОС) сравнивается с эндогенным уст ановочным эталоном-сигналом (УС). Ошибка регулирования(О) оказывает воздействие на т ерморегуляторные эффекторные процессы, которые определяют конт ролируемый переменный сигнал (КП); КЭ - контролирующий элемент, В - возмущения, К С - контролируемая система; б - схема системы, регуляция в которой зависит от свойств двух групп сенсоров одна дает сигнал однонаправленный, а другая - противополож но направленный по отношению к изменениям контролируемой величины (оба сигнала сравниваются и их разност ь определяет тип эффекторной реакции); в - схема системы с двумя группами сенсоров - тепловых (X) и холодовы х (У), сигналы каж дой из которых сравниваются с эталонным сигналом; полученные сигналы ошибки регулирования определяют терморегулят орные реакции - теплоотдачу (ТО) и теплопродукцию (ТП); г - схема системы с двумя группами сенсоров (X и У), сигнал которых не сравнивается с эталоном, но имеет тормозное влияние 410 Биофизика Рассмотрим модель системы терморегуляции человека, входя щую как подсистема в комплексную модель внутренней сферы орга низма человека. При построении модели объекта (системы теплооб мена) приняты общие для всех моделей терморегуляции следующие допущения: реальная система теплообмена представлена в виде сети из участков с сосредоточенными параметрами, каждый участок сис темы имеет форму цилиндра, ткань любого участка гомогенна и об ладает изотропными свойствами, не учитывается теплопередача кондукцией между торцевыми поверхностями цилиндра, не учитывается теплообмен между поверхностными венами и близлежащими арте риями, а также сосудами с разнонаправленными кровотоками. Математическое описание представляет собой систему диффе ренциальных уравнений, включающую уравнение теплового балан са, которое для i-го участка имеет вид: cimi dT = М j + р в св К AiF AjTB —р в св K ViFViTj + (Ti “ Ti-i ) + K i.M(Ti “ Tm ) + +H RA i{Ti - T A ) + H cA i(.Ti - T A ) - E i , (7-D и уравнение смешивания d jr n с в Р в К ~ r ~ = Z a9 a cBF ViTi —p Bc BQTB - E „ dt ,=i (7.2) где Tt - температура г'-ro участка; Тв - температура смешанной ве нозной крови; М - скорость образования тепла; с,, св - удельная теп лоемкость крови и ткани; m - масса участка; FA, F v - объемная ско рость артериальной и венозной крови; Е - скорость теплоотдачи испарением; А - площадь поверхности участка; ТА - температура ок ружающей среды; рв - плотность крови; Vc - центральный объем крови; Q - суммарный кровоток в системе кровообращения; Е т- от дача тепла испарением с верхних дыхательных путей; KA,KV- коэф фициенты использования тепла, переносимого артериальной и веноз ной кровью; К И_„ К и+1 - коэффициенты коммутации; п - число участков. Гпава 7. Информация и регулирование в биологических системах 411 Основной регулируемой переменной в модели принята темпе ратура мозга. Отклонение ее от исходного значения приводит к изме нениям сопротивления сосудов кожи и скорости потоотделения и со ответственно компенсаторным изменениям процессов теплоотдачи. Изменение процессов теплообразования происходит в модели про порционально разности температур кожи и окружающей среды. Особенностью моделирующего алгоритма при реализации мо дели на ПЭВМ является то, что он позволяет путем ввода соответ ствующих исходных данных (число участков п и коэффициенты коммутации Кц_„ K ii+I) реализовать модели различной сложности, в принципе сколь угодно точно отражающие теплофизическую струк туру тела человека. 7 .4 . Постоянство внутренней среды организма и его регуляция Важнейшим свойством живых организмов является, наряду с непрерывным реагированием на внешние воздействия, способность поддерживать свое внутреннее постоянство (гомеостаз). Это посто янство выражается в первую очередь в поддержании строго сохра няемой активной реакции внутренних сред, их температуры, содер жания в них кислорода и углекислого газа, основных энергетических и строительных веществ (углеводов, белков, жирных кислот). Нормальное функционирование всех клетоиных структур ор ганизма является в высшей степени зависимым от указанных фак торов, и сдвиг их показателей даже в небольшой степени может привести к глубоким нарушениям жизненных функций. Вместе с тем клеточные процессы характеризуются образованием ряда по бочных продуктов, могущих привести к нарушениям жизнедея тельности, и их удаление из организма также является жизненно необходимым. Поэтому в основе способности высших организмов к длительно му существованию лежит мощная система регулирования своего внут реннего постоянства, основой которой является система кровообраще ния и связанная с ней система лимфообращения. 412 Биофизика 7 .4 .1 . Характеристики внутренней среды организма Кровь представляет собой именно ту внутреннюю среду, физи ко-химические характеристики которой поддерживаются на строго регулируемом уровне. Через кровь происходит поступление к тканям кислорода, энергетических и строительных веществ,через нее проис ходит удаление из тканей продуктов жизнедеятельности. Эти важ нейшие функции крови выполняются при сравнительно небольшом ее объеме, составляющем всего 6-8% общеймассы тела. Нарис. 7.16 в схематической форме представлены эти функции крови. Жидкая часть крови (плазма) содержит (мМ/кг воды): электро литы - катионы (Na+ - 153, К+ - 5, Са2+ - 3, Mg2+ - 1) и анионы (С1_ 110, С 0 23_ - 28, Р 0 43_ - 1, S 0 42- - 1), а также неэлектролиты (глюко за - 5, белки - 2, мочевина - 1). Осмотическое давление - 745 кПа (7,3 атм), коллоидно-осмотическое давление (онкотическое) - 3 кПа. Важнейшим компонентом крови являются форменные элемен ты, подразделяющиеся на красные кровяные тельца (эритроциты), Межклеточная жидкость Юл Внутриклеточная жидкость 30 л Рис. 7.16. Схема жидкостных пространств во внутренней среде организма Их объемы представляют собой округленные значения для человека массой 70 кг. Стрелками указаны направления обмена меж ду жидкостными пространствами и внешней средой Гпава 7. Информация и регулирование в биологических системах 413 белые кровяные тельца (лейкоциты), в свою очередь подразделяю щиеся на ряд форм, и кровяные бляшки (тромбоциты). У человеки и высших животных эритроциты представляют собой безъядерные сравнительно короткоживущие (100-120 суток) клеточные структу ры, около 90% сухого веса которых составляет гемоглобин и ко то рые служат основным посредником в переносе кровью кислорода. Ядерные клетки (лейкоциты) являются основой защитной функции крови, позволяющей организму бороться с микробными и вирусны ми инвазиями. Наконец, тромбоциты - также безъядерные элемен ты благодаря наличию в них определенный ферментов существенна важны для свертывания крови при повреждениях сосудистого русла. Если газы, неорганические и органические вещества могуч в большей или меньшей степени свободно проходить через стспк> сосудов и обмениваться с таковыми в тканевой жидкости, в полостях пищеварительного и выделительного каналов и воздушной среде ле гочных альвеол, то форменные элементы - постоянные компоненты крови и в свою очередь обмениваются своими ингредиентами с ст плазмой (хотя лейкоциты могут покидать сосудистое русло за счсч амебидных движений). Гомеостатическая функция крови возможна лишь благодаря сч непрерывному движению (циркуляции) в сосудах, поддерживаемо! ритмическими сокращениями сердечной мышцы (миокарда). У выс ших организмов (млекопитающих и птиц) циркуляция кровипроис ходит через полностью разделенные большой («левое сердце») и ма лый («правое сердце») круги кровообращения и четырехкамернсх сердце с двумя желудочками (рис. 7.17). Оттекающая от тканей не нозная кровь поступает в правое предсердие и оттуда в правый жслу дочек. При его сокращении она выбрасывается в легочную артерию Протекая через капилляры легких, оплетающие концевые структура воздушных путей - альвеолы, кровь отдает углекислый газ и насы щается кислородом. Обогащенная кислородом кровь из легких по ле точным венам поступает в левое предсердие и из него в левый желу дочек. При сокращении последнего она нагнетается в аорту и затеи распределяется по артериям, артериолам и капиллярам всех opraiioi и тканей с тем, чтобы затем вновь собраться в венозную систему. Верхни е отд елы те л а Н и ж н и е отд елы тел г Рис. 7.17. Схема сердечно-сосудистой системы Сосуды, содерж ащие насыщенную кислородом кровь, тел а сосуды, содерж ащие обедненную кислородом кровь, - cei Лимфатическая система, образующая дополнительну систему оттока жидкости от органов, показана черными л 7 .4 .2 . Регуляция кругооборота крови Очевидно, что кругооборот крови является име новной регулируемой переменной, которая позволяет ор: способляться к изменяющимся потребностям его oprai и поддерживать в каждый данный момент необходимый вень кровотока. Такая регуляция осуществляется, с одно] Гпава 7. Информация и регулирование в биологических системах 415 счет изменения насосной деятельности сердца, и с другой - за счет ре гуляции периферического кровотока. Управляющими же параметра ми являются те изменения физических и химических характеристик внутренней среды, которые возникают в ходе жизнедеятельности. Внутрисердечные механизмы регуляции кровотока обеспечи вают в первую очередь изменение интенсивности деятельности сер дечной мышцы (миокарда). Основной из них известен как закон серд ца Франка - Стерлинга. Суть его заключается в зависимости силы сокращения миокарда от количества притекающей к сердцу крови. Основой такой зависимости служит связь силы сокращения сердеч ных мышечных волокон и их исходной длины, т.е. степени их растя жения во время фазы расслабления (диастолы). Более сильное растя жение сердца при диастоле соответствует усиленному притоку крови к сердцу. При этом соответственно возрастает сила его сокращения (систола). В результате сердце каждый раз перекачивает в артериаль ную систему то количество крови, которое притекает к нему из вен. В последнее время получены данные, что наряду с этим мышеч ным регуляторным механизмом в сердце функционирует также нерв ный механизм, замыкающийся через внутрисердечные (интрамураль ные) нервные узлы. Эта система включает афферентные нейроны, дендриты которых образуют рецепторы растяжения на мышечных во локнах сердечной стенки, а также вставочные и эфферентные нейро ны, аксоны которых иннервируют миокард и неисчерченные (глад кие) мышечные волокна венечных (коронарных) сосудов. Наличие таких внутрисердечных нервных связей может быть установлено на функционирующем пересаженном сердце, у которого все экстракардиальные нервные элементы дегенерируют. За счет внутрисердечных рефлекторных влияний при увеличении растяжения стенки предсер дия также происходит усиление сокращения желудочков. Она затра гивает не только тот отдел сердца, который непосредственно растяги вается притекающей кровью, но и другие его отделы. Оба внутрисердечных механизма, таким образом, обеспечива ют стабильность кровенаполнения артериальной системы и создают тем самым важнейшее условие для успешного ее функционирования. Внесердечные нервные (рефлекторные) регуляторные механиз мы кровотока осуществляются в отличие от скелетной мускулатуры за 416 Биофизика счет двух систем обратной связи. Одна из них образована симпатиче ской, другая - парасимпатической нервной системой. Это разделение первоначально сложилось на основе анатомических критериев, одна ко затем было подтверждено также функциональными и фармако логическими различиями. Центральные структуры симпатической нервной системы располагаются в грудных и верхних поясничных сегментах спинного мозга, а ее эфферентные волокна разветвляются фактически по всему телу, проходя в основном вдоль кровеносных со судов. Центральные структуры парасимпатической нервной системы локализованы в стволе головного мозга и крестцовом отделе спинного мозга. Наиболее значительным парасимпатическим эфференгным путем является блуждающий нерв, спускающийся от ствола мозга в грудт{ую и брюшную полости и иннервирующий там большинство внутренних органов. Парасимпатические волокна имеют более огра ниченное распространение; так, в конечностях они отсутствуют. Функциональное разделение заключается, как правило, в противопо ложных (антагонистических) влиянияхиаэффекториые органы, при которых одна система приводит к усилению их функции, а другая к ее ослаблению. Однако в ряде случаев обе системы могут вызывать сходные эффекты, отличающиеся лишь некоторыми качественными особенностями. Для упрощения анализа механизма рефлекгорной регуляции кровотока можно не учитывать легочное кровообращение (малый круг), которое регулируется лишь в небольшой степени, а также при нять постоянным венозное давление, которое всегда остается отно сительно стабильным. В этом случае: к р о в о т о к = а р т ер и а л ь н о е да влен и е / о б щ ее п ер и ф ер и ч еско е соп рот и влен и е Это соотношение аналогично закону Ома, связывающему элект рический ток, напряжение и сопротивление вэлектрической цепи. Основными переменными в системе регуляции артериального давления оказываются выброс крови левым желудочком (сердечный выброс) и сопротивление трения, создаваемого сосудистым руслом большого круга кровообращения. Сердечный выброс является про изведением частоты сокращений сердца на ударный объем. Как ука- Г пава 7. Информация и регулирование в биологических системах 417 зывалось выше, ударный объём регулируется внутри сердечными механизмами. Вместе с тем он подвержен мощной внесердечной ре гуляции, увеличиваясь под влиянием симпатической импульсации и уменьшаясь под влиянием парасимпатической (поступающей к сердцу по волокнам блуждающего нерва). Регулируемой переменной является и второй фактор, опреде ляющий артериальное давление - сопротивление сосудистого русла большого круга кровообращения. Оно зависит в основном от диаметра прекапиллярных сосудов - мелких артерий и артериол. Они имеют в своей оболочке слой неисчерченных мышц, клетки которого иннер вируются симпатическими нервными волокнами. Сокращение этих клеток приводит к сужению сосудов и соответственно к повышению периферического сопротивления. Однако в отличие от регуляции сер дечного выброса, в этом случае отсутствуют антагонистические пара симпатические влияния, поскольку большинство сосудов не имеет па расимпатической иннервации. Расширение сосудов становится возможным благодаря тому, что и в условиях покоя по симпатическим волокнам к сосудам посту пает периодическая импульсация, поддерживающая их мышечные клетки в состоянии некоторого постоянного (тонического) напряже ния. При таких условиях расслабление сосудистой мускулатуры и расширение сосуда можно вызвать посредством уменьшения часто ты фоновой импульсации, поступающей из мозга. Таким образом, меняя сердечный выброс и периферическое со противление, организм может в широких пределах варьировать давле ние в кровеносной системе. Для того чтобы гарантированно поддер живать его в заданных пределах, необходима, очевидно, тщательная координация тех рефлекторных влияний, которые действуют на серд це и сосудистую систему. Обязательным условием для осуществления такой координации является наличие постоянной информации об уровне давления в сосудах. Эта информация обеспечивается системой рецепторов давле ния (барорецепторов), расположенных в различных участках сосуди стого русла (в стенке дуги аорты, месте разветвления общей сонной артерии - сонном (каротидном) синусе и др.). Барорецепторы пред ставляют собой вторичные механорецепторы, которые по афферент27 - 9844 418 Биофизика 1Ш A*4inmiiaaMM Синокаротидный нерв Рис. 7.18. Импульсная активность в афферентных волокнах синокаротидного нерва, отражающая активацию сосудистых барорецепторов: 1 - при пониженном; 2 - при нормальном; 3 - при повышенном артериальном давлении ным волокнам посылают в ствол мозга импульсацию, частота кото рой отражает уровень артериального давления (рис. 7.18). В продолговатом мозге существует несколько нейронных структур («центров»), которые на основе информации, поступающей от сосудистых барорецепторов, а также из ряда других источников формируют команды к эффекторным элементам (сердцу и сосудам). Одна из них обозначается как сосудодвигательный (вазомоторный) центр, ответственный, как следует из названия, в основном за регу ляцию сократительной деятельности мышц сосудистой стенки по средством активаций симпатической нервной системы. Проведенные к настоящему времени микроэлектродные исследования импульсной активности отдельных нейронов, входящих в эту структуру, показа ли, что они четко разделяются на две группы. Одна из них дает раз ряд импульсов при повышении артериального давления, другая, на оборот, при его снижении. Эти результаты дают основание полагать, что сосудодвигатель ный центр состоит из двух частей - прессорной и депрессорной, ко торые находятся между собой в реципрокных взаимоотношениях. Нейроны, входящие в прессорную группу, через нисходящие пути ак тивируют симпатические нейроны спинного мозга и таким образом Гпава 7. Информация и регулирование в биологических системах 419 индуцируют сокращение сосудистых мышц и повышение артери ального давления. Наоборот, нейроны депрессорной группы тормозят активность симпатических клеток, и тем самым приводят к расслаб лению сосудистых мышц и падению давления. В зависимости от ха рактера информации, поступающей к сосудодвигательному центру от барорецепторов, происходит перераспределение активности между нейронами прессорной и депрессорной групп, что и является основой формирования соответствующей регулирующей команды. Наряду с сосудистыми, реакциями при активации сосудодвига тельного центра происходит также изменение в симпатической регу ляции деятельности сердечной мускулатуры. При возбуждении депрессорных нейронов симпатическая стимуляция сердца ослабевает, и сердечный выброс соответственно уменьшается. При возбуждении прессорных, наоборот, усиленная активность симпатической нерв ной системы стимулирует сердечную деятельность и увеличивает сердечный выброс, что вносит свой вклад в повышение артериально го давления. Особой нейронной структурой продолговатого мозга, также принимающей непосредственное участие в формировании указанной команды, является относящееся к парасимпатической нервной систе ме ядро блуждающего нерва. Активация, нейронов этого ядра угне тает сократительную функцию сердца и уменьшает сердечный вы брос (тормозящий центр сердца). Все указанные структуры и взаимодействия между ними в про цессе стабилизации артериального давления схематически представ лены на рис. 7.19. Снижение давления в сосудах уменьшает частоту разряда барорецепторов, тем самым активируя прессорный центр пу тем снятия его фонового торможения. Одновременно ослабление возбуждающих влияний от барорецепторов на депрессорную часть сосудодвигательного центра и тормозящий центр сердца угнетает ак тивность последних. В результате происходят увеличение сердечно го выброса и повышение периферического сосудистого сопротивле ния, приводящие к восстановлению сниженного давления. Наоборот, повышение давления тормозит прессорный центр, но возбуждает депрессорный и сердечно-тормозящий; сердечный выброс и перифери27* 420 Биофизика Уменьшение Сердечный выброс Центры продолговатого мозга Увеличение Тормозящий центр сердца Буферные нервы Прессорная часть 0) I Л о S Ш р 5 о S 5 5.S 0) (0 8.1 п 4 < Ш О S | (Тоническая активность) Тор 9< 0 *о а Повышение Депрессорная часть Активация Общее периферическое сопротивление Понижение Рис. 7.19. Общая схема прямых и обратных связей, участвующих в регуляции артериального давления ческое сопротивление падают, и артериальное давление снижается до исходного уровня. Такая генеральная схема регуляции кровотока не исключает, естественно, и участия в последней региональных механизмов, пере распределяющих в определенных пределах общий кровоток между различными органами и системами в зависимости от потребности последних при данной деятельности организма. Локальными факто рами, которые могут вызывать расширение сосудов, являются сни жение pH и парциального давления кислорода, повышение парциаль ного давления С 0 2, выделение ряда продуктов метаболизма. Гуморальные механизмы регуляции кровотока. Описанный ау торегуляторный гомеостатический механизм, использующий реф лекторные обратные связи, долгое время рассматривался как основ ной механизм регуляции кровотока. Однако в результате работ последних лет стало ясно, что он представляет собой лишь первое са мое быстрое звено этого механизма. Кроме него, в поддержании сердечнососудиртого гомеостаза участвуют и другие механизмы дли Гпава 7. Информация и регулирование в биологических системах 421 тельного действия, строящиеся на использовании не рефлекторного, а гуморального пути передачи сигналов (т.е. на использовании фи зиологически активных соединений, которые выделяются в кровь при изменении параметров кровотока, разносятся кровью по орга низму и достигают таким образом тех органов-мишеней, которые об ладают к ним специфической чувствительностью. Одним из них яв ляется ренинангиотензиновый механизм, сущность которого в общих чертах заключается в следующем. Ключевым компонентом этого механизма является фермент ре нин. Ренин вырабатывается в юкстазломерулярных клетках, располо женных в приносящих артериолах почечных клубочков (почечным клубочком называется шаровидный начальный отдел основной функ циональной единицы почки - нефрона). В покое он хранится в этих клетках, однако при уменьшении артериального давления в почеч ных артериях (и при некоторых других обстоятельствах) выделяется из них в кровоток. В крови ренин расщепляет вырабатывающийся в печени полипептид ангиотензиноген. В результате образуется мень ший полипептид ангиотензин I, который далее превращается в ангио тензин II. Этот небольшой полипептид обладает мощным сосудосу живающим действием. Кроме того, он возбуждает центральные и периферические симпатические структуры. В результате перифери ческое сопротивление и артериальное давление повышаются. Эффект этот развивается медленно (десятки минут) и длится долго без значи тельного ослабления. Совсем недавно обнаружен еще один гуморальный фактор, принимающий участие в функционировании этой системы. Оказа лось, что мышечные клетки предсердий сердца также обладают гумо ральной активностью, синтезируя и накапливая полипептид, получив ший название предсердного натрийуретического фактора (ПНФ). Этот пептид выделяется в кровоток при растяжении мышечных воло кон, в связи с переполнением предсердий кровью. Попав в кровь, он переносится по артерям к различным органам-мишеням, в том числе к почкам. Поступая к последним, этот гормон каким-то образом тормрзит выработку ренина, т.е. противодействует появлению связанной с последним сосудосуживающей реакции. Кроме того, ПНФ оказыва ет прямое сосудорасширяющее действие путем расслабления гладких 422 Биофизика мышц крупных артерий. В результате обеспечивается ускорение оттока крови от сердца и предотвращается развитие в нем застойных явлений. Таким образом, гуморальный механизм регуляции кровотока оказывается, в свою очередь, состоящим из контролирующих друг друга подсистем, что и позволяет организму эффективно регулиро вать его на протяжении длительного функционирования организма и поддерживать его даже при таких патологических ситуациях, как значительная кровопотеря. Гуморальные факторы, участвующие в ре гуляции кровообращения, одновременно эффективно влияют на экс креторную функцию почек - выделение ими воды и солей. Тем самым регуляторные механизмы длительного действия могут изменить еще одну переменную в кровообращении, которую пока рассматривали как постоянную, а именно: объем циркулирующей крови. 7 .4 .3 . Регуляция газового состава крови Как указывалось выше, важнейшей функцией кровотока яв ляется снабжение тканей кислородом и избавление их от С 0 2. По требности тканей в кислороде сильно меняются в ходе жизнедея тельности, так же как и количество образующегося С 0 2. Поэтому поддержание постоянства парциальных давлений этих газов является важнейшим компонентом гомеостатической функции кровообраще ния. Поскольку поступление кислорода в кровь и выведение из нее С 0 2 происходит через конечные разветвления воздухоносных путей легких - альвеолы, то основным механизмом в поддержании такого постоянства оказывается именно поддержание постоянства состава альвеолярного воздуха. Альвеолы вентилируются притоком и оттоком воздуха при ритмическом расширении и сжатии легких в результате увеличения и уменьшения объема грудной клетки за счет сокращения диафрагмы и межреберных мышц. В отличие от ритмической деятельности сер дечной мышцы, которая основана на внутренней способности к автоматии и регулируется реципрокными влияниями со стороны симпа тических и парасимпатических эфферентных волокон, ритм дыхания имеет центральное происхождение и порождается командами из осо Гпава 7. Информация и регулирование в биологических системах 423 бой системы нейронов продолговатого мозга (дыхательного центра). Эти команды передаются по соматическим эфферентным путям, ана логичным путям активации других типов скелетных мышц. Частота дыхания и глубина каждого вдоха (дыхательный объ ем) зависят от активности этого центра, которая, таким образом, опре деляет состав альвеолярного воздуха и, следовательно, парциальное давление 0 2 и С 0 2в артериальной крови. При этом обеспечивается ог ромный диапазон регулирования такого постоянства. Во время макси мальной физической нагрузки площадь альвеол может обеспечивать перенос кислорода со скоростью до 5000 мл/мин, а в покое - всего около 250 мл/мин. При регуляции артериального давления задающий входной сигнал формируется в специальных барорецепторных структурах ар териального русла. В случае дыхания ситуация сложнее, так как речь может идти по меньшей мере о двух кандидатах на роль регулируе мой переменной (Р0, и Рсо в крови), регистрация изменений которых может происходить различными рецепторными структурами как на периферии, так и в центральной нервной системе. Кроме того, роль каждой из этих переменных может существенно изменяться в зави симости от условий функционирования организма. В условиях покоя и нормального атмосферного давления из указанных двух переменных основную роль, как показывают экспе рименты, играет вторая - парциальное давление в крови С 0 2. Это хо рошо видно из приведенных на рис. 7.20 кривых, на которых пред ставлены изменения дыхания (его минутного объема) п^и снижении во вдыхаемом воздухе концентрации 0 2 или повышении концентра ции С 0 2. Как видно, минутный объем дыхания не изменяется прак тически до тех пор, пока содержание 0 2 не сократится до половины нормального уровня. Таким образом, гипоксия (снижение Р02 в арте риальной крови) оказывается в этих условиях крайне малоэффектив ным стимулом для усиления дыхания. Наоборот, повышение содер жания С 0 2 во вдыхаемом воздухе (гиперкапния) стимулирует дыхание сразу же, как только оно превысит нормальный уровень. На первый взгляд такая ситуация может показаться парадок сальной, так как именно недостаток кислорода является тем основ ным фактором, который может быстро привести к нарушениям жиз 424 Биофизика Минутный объем дыхания, л/мин 160 120 80 40 0 РаСО240 50 60 70 кПа Ра со 90 70 50 30 кПа Рис. 7.20. Изменения вентиляции лёгких у человека при снижении концентрации 0 2 или повышении концентрации С 0 2 во вдыхаемом воздухе Заштрихованная полоса вверху - максимальная произвольная вентиляция, на которую был способен испытуемый ненных процессов. Сам по себе избыток С 0 2 к таким нарушениям не приводит. Однако дело в том, что в естественных условиях функцио нирования организма оба параметра не являются независимыми, и их изменения всегда тесно связаны - недостаточная вентиляция легких приводит как к накоплению углекислоты, так и к нехватке кислоро да. По-видимому, с точки зрения биофизических механизмов ис пользование датчков изменения уровня углекислоты является более надежным, чем датчиков изменения уровня кислорода, и именно они в ходе эволюции закрепились как основные источники информации в системе регуляции дыхания. При подъеме на большую высоту положение меняется. Такой подъем сопровождается нарастающей гипоксией и одновременно гипокапнией (снижением уровня углекислоты в крови) за счет снижения Гпава 7. Информация и регулирование в биологических системах 425 общего барометрического давления. В этом случае стимулирующее влияние гипоксии на дыхание приобретает первостепенное значение, и поддержание уровня кислорода во вдыхаемом воздухе приобретает ведущую роль в под держании газового гомеостаза крови. Что же представляют собой соответствующие датчики? Наи большее значение имеют рецепторы, расположенные прямо над вен тральной поверхностью продолговатого мозга и реагирующие на из менения Р С02 в спинномозговой жидкости (в свою очередь точно отражающие изменения РС02 в артериальной крови). Эти рецепторы могут быть отнесены к хеморецепторам. При этом P col и pH артери альной крови оказывают на их активность неодинаковый эффект (первое более эффективно). Это не значит, что на поверхности мозга имеются два различных типа хеморецепторных образований, чувст вительных либо к С 0 2, либо к Н+. Возможно, такие хеморецепторы являются именно рецепторами протонов, а действие С 0 2 связано с образованием последних в ходе диссоциации угольной кислоты. В этом случае разница в эффекте Рсог и pH может быть связана с раз личной скоростью их транспорта в тканях. Известно, что С 0 2 очень быстро диффундирует из крови через клеточные мембраны, тогда как для переноса ионов Н+ необходимы особые мембранные структу ры - ионные каналы или переносчики. Рецепторы изменений газового состава крови имеются и непо средственно в сосудистой стенке, в частности в сонном (каротидном) синусе. Эти хеморецепторы реагируют именно на снижение артери ального давления и в меньшей степени на повышение Р С02 или сниже ние pH. Поэтому реакция дыхания на повышение Рсог оказывается почти целиком зависящей от рецепторов самого мозга, более слабая же реакция на снижение Р С02, - от периферических хеморецепторов. Комплекс нейронов, идентифицируемый как дыхательный центр, имеет в своей функциональной организации много общего с рассмотренным выше сосудодвигательным центром - он состоит из двух связанных нейронных сетей, одна из которых приходит в актив ность во время вдоха, а другая - во время выдоха. Эти нейронные сис темы при помощи нисходящих путей связаны с мотонейронами соот ветствующих дыхательных мышц, и возникающие в них команды приводят к периодическому сокращению последних. Две системы 28 - 9844 426 Биофизика нейронов в дыхательном центре находятся между собой в реципрокных тормозящих отношениях, когда одна из них приходит в состоя ние активности, другая тормозится. Затем каким-то образом актив ность первой системы ограничивается и торможение ослабевает, что создает возможность для появления активности в другой системе. Эта способность к периодическому переключению активности из одной системы в другую сохраняется даже в изолированном продол говатом мозге. Однако для стабилизации ритмической деятельности и ее согласования с газовым составом крови необходимо поступление к ней информации от описанных выше центральных и периферических хеморецепторов, приводящей либо к усилению и учащению дыхатель ных движений и соответственно к повышению минутного объема ды хания, либо, наоборот, к его снижению. Кроме описанных систем обратной связи, функционирующей на основе сигналов о химическом составе артериальной крови, важ ную роль в регуляции дыхания играют и обратные связи, использую щие сигналы от механорецепторов, расположенных непосредственно в легких. Если слишком раздуть легкие при вдохе, последний рефлекторно тормозится, и начинается выдох. Напротив, если существенно уменьшить объем легких, то это стимулирует глубокий вдох (рефлек сы Геринга-Брейера). Основой указанных рефлексов являются меха норецепторы, расположенные непосредственно в легочной паренхи ме, а также в трахее, бронхах и бронхиолах. Некоторые из этих рецепторов являются позиционными и реагируют на степень растя жения легочной ткани пачками импульсов, другие же являются ско рее дифференциальными и возбуждаются лишь при уменьшении или увеличении растяжения. Таким образом, нервная система получает постоянную инфор мацию как об уровне растяжения лёгких, так и об изменениях этого растяжения. Афферентные волокна от таких рецепторов поступают в спинной мозг и оказывают свое влияние на деятельность нейронных систем дыхательного центра. При пересечении этих афферентных пу тей дыхание становится редким и глубоким. Следовательно, в физио логических условиях их влияния ограничивают дыхательные экскур сии и делают работу дыхательной системы более экономной. Глава 7. Информация и регулирование в биологических системах 427 3 С[ Рис. 7.21. Общая схема прямых и обратных связей, участвующих в регуляции дыхания На рис. 7.21 суммированы описанные выше главные системы обратных связей, ответственных за поддержание газового гомеостаза крови. 7 .4 .4 . Регуляция уровня энергетических веществ в крови Все живые клетки нуждаются в непрерывном снабжении веще ствами, которые могут быть для них источником метаболической энергии. Эта потребность, как и потребность в кислороде, меняется в зависимости от функциональной активности клетки. У млекопитаю щих энергия поступает из крови в клетку в основном в виде глюкозы, и поэтому поддержание ее гомеостаза в крови является необходимым условием поддержания жизни. Регулирование этого гомеостаза обес печивается высокосовершенной системой, в которой управляющие сигналы передаются гуморальным путем - через выделяемые в ток крови физиологически активные соединения. Рассмотрим принцип поддержания в крови необходимого уров ня глюкозы в самой общей форме. Этот уровень определяется, во-пер вых, притоком глюкозы периодически из кишок после каждого прие 28* 428 Биофизика ма пищи в результате расщепления в них углеводов и всасывания образовавшихся моносахаридов, и более постоянного - в результате расщеплений печеночного гликогена (представляющего собой внут реннее депо углеводов). Во-вторых, он зависит от постоянного по требления глюкозы тканями для покрытия их энергетических трат. Несмотря на эти процессы, в норме уровень глюкозы в крови оказыва ется весьма постоянным (около 5 мМ/кг воды плазмы). Лишь сразу после приема пищи во время всасывания он может возрастать до 6 ,1 6,7 мМ/кг, а во время умеренного голодания снижаться до 3,5 мМ/кг. При пищевом повышении уровня глюкозы активируется син тез гликогена в печени (гликогенез) и уровень ее в крови вскоре ста билизируется за счет пополнения этого депо углеводов. Наоборот, при снижении уровня глюкозы ниже нормы активируется противо положный процесс распада гликогена (гликогенолиз), пополняющий такой дефицит. Направление перемещения глюкозы и является той регулируе мой переменной, которая управляется выделением в кровь физиоло гически активных соединений (гормонов). Поступление глюкозы из крови в клетки большинства тканей (в том числе и в клетки печени) определяется гормоном инсулином, вырабатываемым В-клетками панкреатических островков (островков Лангергапса) поджелудочной железы. Если уровень глюкозы в крови ниже 3,3 мМ/кг, то инсулин вовсе не выделяется. По мере превышения этого порога он выделяется во все больших количествах за счет прямой стимуляции глюкозой секреторной функции В-клеток. Вследствие этого во время дефицита глюкозы последняя не может попасть в клетки инсулинчувствительных тканей, однако она сберегается для таких тканей, в которых ути лизация глюкозы не зависит от инсулина (нервная ткань). Инсулинчувствительные ткани при этом могут покрывать свои энергетические потребности только за счет других источников (жиров или белков). Инсулин, помимо влияния на поступление глюкозы в клетки, стиму лирует также гликогенез (синтез гликогена) и угнетает гликогенолиз (его распад). Таким образом, именно выделение инсулина оказывается тем механизмом гуморальной обратной связи, который обеспечивает снижение уровня глюкозы при появлении ее избытка в крови (гипог- Гпава 7. Информация и регулирование в биологических системах 429 ликемизирующее действие). Лишь при очень значительном повыше нии этого уровня глюкоза начинает выводиться почками в мочу (глюкозурия). Инсулин является единственным гормоном в организме, обладающим таким действием. Наоборот, существует ряд гормонов, которые стимулируют расщепление гликогена и тем самым способст вуют повышению уровня глюкозы (гипергликемизирующее дейст вие). К ним относятся глюкагон (вырабатываемый D-клетками под желудочной железы), адреналин, глюкокортикоиды (гормоны коры надпочечников), тироксин (гормон щитовидной железы), гипофизар ный гормон роста. Выброс этих гормонов в кровь стимулируется не достатком в ней глюкозы (гипогликемией), и они представляют собой функционально антагонистическую систему обратных связей, кото рая в сочетании с инсулиновой системой обеспечивает эффективный гомеостаз глюкозы в организме. Аналогичные регуляторные системы участвуют в гомеостазе других возможных источников энергии - продуктов расщепления жи ров и белков, которые через специальные биохимические механизмы могут превращаться в глюкозу. Жиры составляют самый обширный резерв метаболической энергии и могут включаться в циркуляцию в виде триглецеридов и свободных жирных кислот. Для энергетиче ских целей в крайнем случае могут расходоваться и аминокислоты. Как и в случае мобилизации и запасания глюкозы, расходование жи ровых и белковых запасов также регулируется системой гормональ ных обратных связей, действие которых состоит в регуляции функции специфических ферментов. В частности, инсулин способствует обра зованию жировых запасов и подавляет липолиз. Он способствует так же синтезу белков. Наоборот, глюкагон, адреналин и гормон роста стимулируют липолиз. Все сказанное можно наглядно представить себе на схеме, на которой уровни соответствующих энергетических веществ представ лены в виде уровней жидкости в баках, обладающих системами при тока и оттока (рис. 7.22). Ясно, что в ходе жизнедеятельности происходит постепенное исчерпание имеющихся в организме энергетических веществ, и нор мальное ее продолжение возможно только в случае постоянного по ступления их из внешней среды в виде пищи. Этот процесс также эф- 430 Биофизика Рис. 7.22. Общая схема регуляции уровней углеводов, ж иров и белков в организме Гормоны, стимулирующие отдельные превращения, обозначены знаком (+), угнетающие - знаком (~),СЖ К - свободные жирные кислоты фективно регулируется за счет активации высших мозговых центров, ответственных за поведенческие реакции поиска и поедания пищи. Датчиками сигналов, включающих такое поведение, являются те же уровни энергетических веществ (в первую очередь глюкозы) в крови, поступающей к соответствующим центрам. Снижение их вызывает чувство голода и тем самым побуждает организм к пополнению запа сов энергетических веществ. 7 .4 .5 . Регуляция осмотического давления крови В заключение рассмотрения вопроса о механизмах поддержа ния постоянства физических характеристик внутренней среды орга низма коротко остановимся на принципах поддержания ее осмотиче ского гомеостаза. Эта сторона гомеостатической функции отличается особенной сложностью и включает в себя целый ряд нервных и гумо ральных механизмов. Гпава 7. Информация и регулирование в биологических системах 431 В основе поддержания постоянства осмотического давления крови лежат два тесно связанных регуляторных механизма - поддер жание постоянства объема крови (и межклеточной жидкости) и поддержание постоянства ее электролитного состава. Обе вели чины сохраняют при нормальной жизнедеятельности поразительное постоянство, несмотря на воздействие внешних и внутренних факто ров, стремящихся его нарушить. Объем крови зависит от поступления воды через пищевари тельный канал при питье и ее потери с мочой, потом и калом. Обе пе ременные, в свою очередь, связаны между собой, поскольку избы точное поступление или потеря воды будут изменять концентрацию электролитов крови, а нарушение электролитного состава повлечет осмотические изменения соотношения между объемами крови и тка невой жидкости. Между всеми этими процессами поступления и по тери должно поддерживаться строгое равновесие, регулируемое, как и в рассмотренных выше случаях, сигналами от соответствующих внутренних датчиков. Как и в случае регуляции ряда других характеристик крови, ос новными датчиками нарушения электролитного баланса крови (ос морецепторами) являются центральные структуры (определенные группы нейронов гипоталамуса), расположенные в области его супраоптического ядра. Кроме того, осморецепторы имеются также на вентральной поверхности головного мозга возле третьего желудочка. Осморецепторы гипоталамической области реагируют на изменения осмолярности крови, поступающей в эту область, а осморецепторы мозговой поверхности - на аналогичные изменения спинномозговой жидкости. Регуляторные сигналы могут исходить также от уже упо минавшихся барорецепторов сосудистого русла, а также внутрисер дечных барорецепторов, которые реагируют на растяжение стенки крупных артериальных сосудов и сердца, сопровождающее увеличе ние объема циркулирующей крови. Напротив, при уменьшении объе ма крови активность этих барорецепторов и соответственно интен сивность поступающих от них в центральную нервную систему сигналов снижаются. Регуляция потерь воды осуществляется главным образом поч ками. Другие перечисленные механизмы играют менее существен 432 Биофизика ную роль и могут здесь не рассматриваться. Особенностью функции почки является двухстадийный процесс образования мочи. Сначала практически вся вода плазмы крови, проходящей через сосуды по чечного клубочка, фильтруется в его просвете, образуя первичную мочу. Однако затем, по мере прохождения последней по извилистым канальцам, она частично всасывается в кровь. Этот процесс обратно го всасывания регулируется особым антидиуретическим гормоном (АДГ), вырабатываемым задней долей гипофиза. При увеличении содержания в крови этого гормона процесс реабсорбции воды усиливается, вплоть до почти полного прекраще ния образования мочи. Наоборот, при недостатке гормона реабсорб ция подавляется, и организм теряет воду в виде избыточного мочеот деления. Очевидно, что основная роль сигналов, возникающих в осморецепторах (а также сосудистых барорецепторах) при измене ниях осмолярности крови или ее объема, заключается в подавлении или стимуляции секреции АДГ. Речь идет, таким образом, о смешан ном нейрогормональном эффекторном механизме. Наряду с регуляцией потери воды особый механизм регулиру ет и потерю электролитов (натрия), также происходящую в основном через почки. Фильтрующийся в первичную мочу натрий также реабсорбируется в почечных канальцах, однако этот процесс регулирует ся раздельно, в основном посредством гормона коры надпочечников альдостерона. Секреция альдостерона, в свою очередь, подвержена гормональной регуляции через посредство уже упоминавшейся выше ренинангиотензиновой системы, которая включается при сни жении артериального давления и уменьшении объема крови проте кающего через почки, а также при недостатке натрия в крови. В ре зультате усиливается выброс в кровь альдостерона и уменьшается потеря натрия в связи с усилением его реабсорбции. Что касается регуляции противоположного механизма поступ ления воды и электролитов в организм, то датчиками для него явля ются те же осморецепторы (и, возможно, барорецепторы), сигналы от которых используются для регуляции потерь воды и электроли тов. Как и при регуляции потребления энергетических веществ, при этом возникают ощущение жажды и активация соответствующих нервных центров, ответственных за поведенческие реакции поиска Глава 7. Информация и регулирование в биологических системах 433 воды. Вероятно, по крайней мере у ряда животных следует специ ально выделять и «натриевый голод» - комплекс реакций, возникаю щих при недостатке в пище соли и направленных на ее поиск. Чело век же, как правило, потребляет избыточное количество соли по сравнению с физиологической потребностью, и у него такие реакции отсутствуют. ЗАКЛЮ ЧЕНИЕ В последние годы медицинская техника занимает центральное место в диагностических, терапевтических и аналитических меди цинских технологиях. Подготовка инженерных специалистов для разработки и обслуживания биотехнического, медицинского и эколо гического оборудования является важной задачей. Авторы настояще го учебного пособия надеются, что материалы, изложенные в нем, по могут студентам, аспирантам и инженерам, специализирующимся в этом направлении, разобраться в процессах, протекающих в живых организмах. Несмотря на большой объем пособия, авторы не претен дуют на полноту излагаемых вопросов. По ряду вопросов существует литература, более подробно рассматривающая конкретные пробле мы. Заинтересованный читатель по вопросам теоретической биофи зики и биофизики клеточных процессов может обратиться к учебни ку А.Б. Рубина «Биофизика» (Т. I. М., 1999 г. и Т. II. М., 2000 г.), а медицинские работники - к учебнику В.О. Самойлова «Медицин ская биофизика» (СПб., 2004 г.). Дальнейшее развитие биофизики, биохимии и методов иссле дования живых объектов приведет к углублению знаний в этих облас тях, что станет базой для разработки нового медицинского оборудо вания и технологий на их основе. список ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 1. Антонов В.Ф., Черныш А.М., Пасечник В.И., Вознесенский С.А., Козлова Е.К. Биофизика. - М.: Гуманит. изд. центр ВЛАДОС, 1 9 9 9 .-2 8 8 с. 2. Артюхов В.Г., Ковалева Т.А., Ш мелев В.П. Биофизика. - Во ронеж: Изд-во ВГУ, 1994. - 336 с. 3. Бегун П.И., Ш укейло Ю.А. Биомеханика. - СПб.: изд-во «По литехника», 2000. - 463 с. 4. Биомеханика сердечной мышцы. [В.Я. Изаков, Г.П. Иткин, B.C. Мархасян и др.; отв. ред.Г.Р. Иваницкий]. - М.: Наука, 1981. 325 с. 5. Биофизика/ Под. общ. ред. акад. А Н СССР П.Г.Костюка. Киев:Выща шк., 1988. - 504 с. 6. Биофизика сенсорных систем / Под ред. В. О. Самойлова. — СПб.: Изд-во СПбГПУ, 2004. 7. Бэгшоу К. Мышечное сокращение: Пер. с англ. - М.: Мир, 1985.-128 с. 8. Вестерхофф Х.В., К. ван Дам. Термодинамика и регуляция превращений свободной энергии в биосистемах. - М.: Мир, 1992. 9. Винер Н. Кибернетика (Управление и связь в животном и ма шине). -М .: Мир. 1958. 10. Владимиров Ю.А., Рощупкин Д.И., Потапенко А.Я., Д е ев А.И. Биофизика. - М.: Медицина, 1983. - 272 с. 11. Волобуев А.Н. Биофизика. - Самара: «Самар. Дом печати», 1999. - 168 с. 12. Гордон Д.Г. Мышечная механика. - М.: 1985. 13. Гусев В.Г. Методы и технические средства для медико-био логических исследований: учебное пособие. 4.2. -У ф а: УГАТУ, 2 0 0 1 .- 119 с. 436 Биофизика 14. Дещеревский В. И. Математические модели мышечного со кращения. —М.: Наука, 1977. - 160 с. 15. Инженерная физиология и моделирование систем организ ма / По д р е д . В.М. Ахутина. - Новосибирск: Наука, 1987. 16. Математические модели и компьютерное моделирование в биомеханике. / Под ред. А.В.Зинковского и В.А.Пальмова. - СПб.: Изд-во Политехи, ун-та, 2004. - 516 с. 17. Плонси Р., Барр Р. Биоэлектричество: Количественный подход: Пер. с англ. - М.: Мир, 1991. - 366 с. 18. Рубин А.Б. Биофизика. - М., 2000. - 468 с. 19. Самойлов В.О. Медицинская биофизика. -С П б.: «СпецЛит», 2004. - 495 с. 20. Физиологическая и медицинская информатика/ Сб. научн. Трудов. Под ред. П.М. Амосова. - Киев, 1990. 21. Черныш А.М. Биомеханика сердечной мышцы. - М.: Наука, 1993. 22. Чигирев Б.И. Биофизика органов чувств. - СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2001. - 80 с. ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ Z Z-диск 12 Z-линия 12 А Аберрация света 276 Абсолютная мышечная сила 24 Абсолютный порог чувствительности зрения 255 Абсолютный порог ощущения 186 Адаптация 190 Адаптация организма к охлаждению 404 Адсорбционная (стереохимическая) 307 Аккомодация 251 Аксональный ток 172 Акт вдоха 41 Акт выдоха 41 Актиновый кортекс 7 Актиновый микрофиламент 6 Акустическая эмиссия клеточных и молекулярных структур 248 Акустическое поле сердечно-сосудистой системы 246 Акустический импеданс 226, 239 Акустическое излучение 249 Альвеолярное давление 44 Ампула Лоренцини 219 438 Биофизика Анатомическое мертвое пространство 54 Апостильб 306 Артериальный импульс 154 Артериолы 155 Атлас архитектурных цветов 297 Атлас Тейлора 297 Атлас Манселла 296 Аудиометры 237 Аудиометрия 237 Ауксотонический (или анизотонический) 25 Афферентное волокно 402 Б . Базальный сосудистый тонус 158 Баллистокардиограмма 96 Баллистокардиография 95 Баллистокардиограф 96 Барабанная струна 322 Барорецептор 418 Безусловный рефлекс 370 Безусловный терморегуляционный рефлекс 387 Бинауральный слух 229 Биологическая кибернетика 361 Биомеханика 5 Бионика 362 Биосенсор 184 Биофизика сложных систем 359 Блуждающий нерв 417 Боковая ручка 174,180 Бурый жир 384 Предметный указатель В Вегетативная функция 363 Вектор Умова 222, 239 Венный пульс 155 Вентиляция 38 Вентиляция лёгких 41 Верхний порог ощущения 186 Вестибулярная сенсорная система 211 Вкусовая луковица 318 Вкусовая почка 318 Вкусовая рюмка 318 Внимание 199 Внутриклеточный посредник 260 Водонапорная башня 160 Возвратное постсинаптическое торможение 196 Воздушная проводимость 229 Волна давления 112 Волосковый 212 Временная суммация 188 Выходная характеристика 374 Г Гемодинамика 100 Гемодинамическое сопротивление 109 Геном 356 Гипоталамус 407, 390 Гипотермия 406 Гладкий тетанус 31 Глубина дыхания 51 Градиентое напряжение 58 Грудной отдел аорты 152 439 440 Биофизика Гуморальная регуляция 367 Гуморальный механизм 421 д Давление в плевральной полости 44 Двигательный анализатор 214 Детектор 199 Диаграмма цветности 288 Диастолы 416 Диафрагма 41 Дивергенция 195 Дилататор 251 Динамический баланс 409 Динамокардиография 97 Динеины 172, 174, 180 Диск зрительного нерва 253 Диск 255 Дисторсия 276 Дифракция 275 Дифференциальный порог 188,237 Дифференциальный пространственный порог 189 Дрожательный термогенез 383 Дыхательный центр 424 Дыхательный объем 52 Е Единичная плоскость в данном цветовом пространстве 287 Единичный цветовой треугольник 287 Ж Жгутик 175 Желтое пятно 253 Жизненная емкость легких 52 Предметный указатель 3 Закон Вебера 188 Закон Гука 127 Закон сохранения массы 100 Закон Стивенса 187 Законы линейности при установлении цветовых равенств 284 Закон Франка-Старлинга 93 Закон Грассмана 280 Закон Вебера-Фехнера 223 Запах 329 Звено 369 Звуковое давление 223, 238 Золотая пропорция 30 И Измерение объема мертвого пространства 54 Измерение цвета и субъективные эффекты цветовосприятия 296 Инактивация сокращений 77 Интенсивность 186 Интенсивность звука 222 Интенсивность цвета 296 Интерорецептивный анализатор 216 Интерорецепторы 184 Информационный канал 347 Информационная избыточность 352 Информация 346 К Кальциевая помпа 22 Кальциевые каналы 22 Кандела 306 29 - 9R9 4 441 Капилляр 147 Кашель 180 Кибернетика 359 Кинезин 173 Кинетокардиография 97 Кинетохоры 173 Кислоты 325 Колбочки 253 Колбы Краузе 211 Колебательная теория 329 Колориметров 279 Комбинированные системы 377 Константность восприятия окраски 299 Контраст 189 Координаты цветности 285 Костная проводимость 236 Кохлеарная акустическая эмиссия 245 Кривые смешения 288 Кривые удельных координат стандартной системы 290 Кровяное давление 100 Кругооборот крови 415 Л Ламберт 306 Латеральное торможение 197 Лёгочный резистанс 43 Лейкоциты 414 Лестницы Боудича 74 Линейная скорость 100 Люминофоры 288 Предметный указатель М Медицинская кибернетика 361 Медленные мышцы 30 Мембранные рецепторы 365 Местная регуляция 365 Метаболическая (ферментативная) 307 Метамеризм 280 Метамерная пара 281 Метод вымывания 66 Метод разведения 66 Метод условных рефлексов 370 Методика Люшера 241 Механизм восприятия запаха 329 Микротрубочки 170 Минутный объём дыхания 51 Миозин 8 Митотическое веретено 173 Молекулярные механизмы подвижности 5 Моноуральная аудиометрия 237 Мукоцилиарный клиренс 179 Мукоцилиарный транспорт 179 Мышечное волокно 71 н Наружные межрёберные мышцы 41 Насморк 180 Насыщенность цвета 281 Недрожательный термогенез 384 Нейрофизиология 195 Нексиновые мостики 181 Нексус 156 29* 443 444 Биофизика Нектин 180 Неньютоновские жидкости 103 Нервный импульс 191 Нефрон 422 Hum 306 Нормальные диастолические тоны 247 Нормальные систолические тоны 247 Ноцицепторы 218 Ньютоновские жидкости 103 О Обеспечение непрерывности кровотока 152 Обоняние 328 Обонятельная выстилка 332 Обратная связь 372 Общая емкость легких 52 Объёмная скорость 100 Одновременный цветовой контраст 302 Озноб 408 Опережающее торможение 196 Опорно-двигательный аппарат 31 Оптические отбеливатели 288 Оптический центр глаза 253 Осморецепторы 184 Основной закон сердца 74 Основные гемодинамические показатели 100 Остаточный объем 52 Островки Лангерганса 429 Острота зрения 274 Относительная видность 272 Ототолик 224 Предметный указатель Ошибка регулирования 376 п Палочки 253 Парасимпатическая нервная система 417 Периферический терморецептор 395 Пирамида вкусов Хеннинга 317 Плетизмограф 67 Плетизмография 70 Пневмотахограф 67 Пневмотахография 67 Поликардиография 100 Поперечные мостики 13 Порог 237 Порог слышимости 223 Пороги восприятия 184 Пороговый блеск 303 Порог изменения ощущения 294 Порог контрастной чувствительности 274 Последовательный образ 301 Последовательный цветовой контраст 301 Постоянство электролитного состава 432 Постоянство объема крови 432 Постоянство осмотического давления крови 432 Почечный клубочек 422 Предсердный натрийуретический фактор 422 Преобладающая длина волны цвета 281 Приведенный редуцированный глаз 252 Принцип установочной точки 409 Проприоцепторы 372 Пространственная суммация 195 445 446 Биофизика Протофибрилл 12 Псевдоподие 8 Психическая деятельность 382 Психическая сфера 364 Пульс 115 Пучки 71 Р Равноконтрастная диаграмма цветности 295 Радиальные спицы 181 Разветвлённая сосудистая трубка 101 Разветвлённая дыхательная трубка 39 Раздражитель 183 Разобщение 77 Разрешающая способность 274 Растяжимость 43 Регионарное кровообращение 166 Регуляция артериального давления 417 Резервный объем вдоха 52 Резервный объем выдоха 52 Реизомеризация 259 Релаксационный метод измерения давления 44 Ренинангиотензиновый механизм 422 Реснички 175 Рефлекс 368 , 370 , 386 Рефлекторная дуга 369 Рецепторный потенциал 192, 259 Рецепторы 184 Речевая аудиометрия 242 Родопсин 255 Рычаг 31 Предметный указатель 447 С Саркомер 11 Саркоплазматическая сеть 20 Светлота цвета 281 Световой поток 306 Свободные нервные окончания и инкапсулированные нервные тельца 207 Семидоменные рецепторы 340 Сенсорная система боли 218 Сенсорные системы кожи 201 Сердечно-сосудистая система 161 Сердечный выброс 417 Сетчатка 253 Сигнал рассогласования 380 Сила мышцы 23 Сила поверхностного натяжения 42 Сила света 306 Сила сокращений 74 Сильфоны 64 Синдром Картагенера 182 Система Оствальда 297 Система стабилизации 377 Система программного управления 377 Система автоматического регулирования 374 Систола 416 Систолический (ударный) объём 93 Скорость кровотока 100 Скоростью сдвига 102 Скотопическое зрение 272 Сладкий стимул 323 Следящие системы 377 Слепое пятно 253 448 Биофизика Согласование цвета 282 Сократительный термогенез 383 Сокращение миоцитов 8 Соматика 363 Соны 239 Сопротивление сосудистого русла большого круга кровообращения 418 Сосудистый тонус покоя 158 Сосудистые краны 160 Социологическая кибернетика 361 Спектр излучения равноэнергетический 287 Спектральный локус 288 Специфическая растяжимость легких 47 Спинной мозг 390 Спирограмма 66, 68 Спирометры 64 Спирометрия 64 Спирометры открытого типа 67 Спонтанная эмиссия 245 Стандартные колориметрические системы МКО 288 Стандартные источники белого цвета 287 Статическая растяжимость легких 47 Стереоцветное кино 282 Стильб 306 Стимул 183 Стоимость силы 158 Строение внутреннего уха 22 7 Строение наружного и среднего уха 224 Субъективные эффекты 299 Суммация 189 Сфигмограмма 154 Сфинктер 251 Предметный указатель Т Таламус 403 Тельца Гольджи—Маццони 209 Тельца Мейснера 446 Тельца Пачини 208, 210 Тельца Руффини 211 Тельце Меркеля 209 Теория вкуса 307 Теория гетерогенности хеморецепции 307 Теория обоняния 307 Теория информации 345 Тепловая мощность 25 Тепловые рецепоры 211 Теплопродукция несократительным термогенезом 384 Теплота активации 33 Теплота укорочения 33 Термокинетические упругие силы 150 Терморегуляционный тонус 383 Терморецепторы 184, 211 Термосенсорная система 217 Тетанические сокращения 30 Техническая кибернетика 361 Тоны Короткова 134 Трансдукция 193 Трехкомпонентная теория цвета 278 Триплетный кодон 354 Трихроматическая единица 285 Тромбоциты 414 Тропомиозин 14 Тубулин 170 Тубулиновые протофиламенты 180 449 450 Биофизика Тяжи 71 У Унифицированное цветовое уравнение 285 Упругие свойства 42 Уравнение вкуса 308 Уравнение неразрывности 131 Уравнение Хилла 25 Уравнением Бора 55 Уравнения Пуазейля 108 Уравнениями Эйлера 131 Уровень громкости 239 Уровень интенсивности 239 Ускорения 211 Условие неразрывности струи 39, 100 Условнорефлекторная регуляция 387 Уставка 375 Ф Фаза асинхронного сокращения 91 Фазная реакция 396 Фаза быстрого изгнания 93 Фаза изометрического сокращения 92 Фаза медленного изгнания 93 Физическая терморегуляция 385 Флаттерный режим 129 Флебограмма 155 Фон 240 Фонокардиограф 99 Фонокардиография 98 Формула периферического гемодинамического сопротивления 117 Предметный указатель Форпостное регулирование 377 Фотоизомеризация 258 Фотолиз 259 Фотопическое зрение 272 Фоторецепторная мембрана 255 Фоторецепторы 184 Фоторецепция 249 Функциональная остаточная емкость 52, 53 Функциональный элемент 71 Функция организма 359 Фурье-анализ 118 X Характерическая частота волокна 236 Хеморецепторы 184 Хемосенсорные системы 217 Химическая терморегуляция 385 Холодовые точки 217 Хроматическая диаграмма 288 ц Цветное телевидение 282 Цветовая температура 287 Цветовой круг Ньютона 278 Цветовое пространство 286 Цветовой тон 281 Цветовой треугольник Максвелла 279 Центр 419 Центральное звено 370, 389 Центральные и периферические терморецепторы 393 Центральное венозное давление 149 451 452 Биофизика ч Частота стимула 74 Чистота цвета 281, 282 э Экстероцепторы 184 Эластические волокна 42 Эластическая тяга лёгких 42 Электромеханическое сопряжение 20 Электронный нос 343 Электрорецепторы 184 Электрорецепция 219 Энергетическая сила света 305 Эритроциты 413 Эффект Пуркине 272 Эффектор 370 , 372,377 Эфферентное звено 387 Я Яркость 28! 306 ОГЛАВЛЕНИЕ Том II. БИОМЕХАНИКА, ИНФОРМАЦИЯ И РЕГУЛИРОВАНИЕ В ЖИВЫХ СИСТЕМАХ Введение...............................................................................................................3 ГЛАВА 5. Биофизика двигательной активности......................................... 5 5.1. Биофизика мышечного сокращения.........................................................6 5.1.1. Актин-миозиновая система миоцита поперечнополосатых мышц..................................................................6 5.1.2. Механизм мышечного сокращения...................................................... 16 5.2. Механические процессы в опорно-двигательном аппарате человека.............................................23 5.2.1. Биомеханические свойства скелетных мышц....................................23 5.2.2. Энергетика мышечного сокращения...................................................33 5.2.3. Элементы теории мышечного сокращения.......................................35 5.3. Биомеханика дыхания.................................................................................38 5.3.1. Легочная вентиляция...........................................................................38 5.3.2. Показатели легочной вентиляции......................................................51 5.3.3. Моделирование дыхания.....................................................................57 5.3.4. Методы и технические средства для исследования легочной вентиляции.............................................64 5.4. Биомеханика миокарда..............................................................................70 5.4.1. Сокращение миокарда...........................................................................70 Особенности сократимости миокарда:..........................................74 5.4.2. Расслабление миокарда........................................................................82 5.4.3. Работа сердца.......................................................................................90 5.4.4. Методы исследования механической активности сердца................. 95 5.5. Биофизические закономерности движения крови по сосудам . . . . 100 5.5.1. Основные показатели гемодинамики.......................................... 100 454 Биофизика 5.5.2. Линейная теория движения крови по кровеносному р у сл у .....................................................................113 5.5.3. Нелинейная теория движения крови по кровеносному р у сл у .....................................................................126 5.5.4. Биофизические особенности кровеносных сосудов разного типа...................................................146 Капилляры....................................................................................... 146 Вены................................................................................................ 148 А о р т а ............................................................................................. 149 Артериолы большого круга кровообращения...........................154 5.5.5. Математические модели кровообращения.................................... 160 5.6. Тубулин-динеиновая и тубулин-кинезиновая молекулярные системы подвижности...................................................168 5.6.1. Системы микротрубочек.....................................................................168 5.6:2. Биомеханические процессы в жгутиках и ресничках.....................173 ГЛАВА 6. Сенсорные системы организма................................................182 6.1. Анализ сенсорных систем..................................................................... 182 6.1.1. Общие принципы функционирования сенсорных систем.............................................184 6.1.2. Трансформация раздражителей в рецепторах.............................. 190 6.1.3. Передача и переработка информации в нервных центрах........................................................................... 193 6.1.4. Биосенсоры..........................................................................................200 6.2. Биофизика слуха.......................................................................................221 6.2.1.Слуховая рецепция..............................................................................221 6.2.2. Методы и средства проведения аудиометрических исследований..................................................... 237 6.2.3. Акустические поля..............................................................................243 6.3. Биофизика зрения....................................................................................248 6.3.1. Светопреломляющая система глаза.................................................. 248 6.3.2. Биофизический механизм восприятия света рецепторами........................................................ 252 6.3.3. Рецепторные потенциалы................................................................. 258 Оглавление 455 6.3.4. Чувствительность и адаптация глаза................................................266 6.3.5. Разрешающая способность глаза......................................................273 6.3.6. Кодирование информации в органе зрения.......................................276 6.3.7. Цветовое зрение.................................................................................277 6.4. Биофизика хемосенсорных систем.........................................................305 6.4.1. Хеморецепция внутренней среды организма....................................308 6.4.2. Первичные вкусы и их пороги............................................................316 6.4.3. Вкусовые почки.................................................................................317 6.4.4. Вкусовые клетки.................................................................................320 6.4.5. Афферентные пути..............................................................................321 6.4.6. Механизмы вкусовой трансдукции...................................................322 6.5. Обоняние...................................................................................................327 6.5.1. Запахи и их классификация...............................................................327 6.5.2. Теории обоняния.................................................................................328 6.5.3. Органы обоняния.................................................................................330 6.5.4. Микроструктура обонятельной выстилки.......................................331 6.5.5. Строение обонятельных клеток.........................................................334 6.5.6. Механизм обонятельной трансдукции.............................................336 6.5.7. Чувствительность органов обоняния................................................342 6.5.8. Техническое моделирование обоняния.............................................342 ГЛАВА 7. Информация и регулирование в биологических систем ах......................................................344 7.1. Информация и живой организм...............................................................344 7.1.1. Элементы теории информации.........................................................344 7.1.2. Примеры применения теории информации к анализу процессов передачи информации в нервных каналах связи. . . . 349 7.1.3. Информация, заключенная в генетическом коде..............................353 7.2. Регулирование биологических процессов.............................................358 7.2.1. Содержание кибернетики и бионики................................................358 7.2.2. Стратегия управления функциями организма.................................361 7.2.3. Понятие о местной регуляции физиологических процессов. . . . 364 456 Биофизика 7.2.4. Понятие о гуморальной регуляции физиологических процессов............................................................366 7.2.5. Нервная регуляция физиологических процессов............................. 367 7.2.6. Обратные связи в рефлекторных актах.............................................370 7.2.7. Приложения теории автоматического регулирования к анализу рефлекторной деятельности............................................ 372 7.2.8. Форпостное регулирование функций организма............................. 380 7.3. Регуляция температуры тела гомойотермного организма.....................................................................381 7.3.1. Эффекторы теплопродукции............................................................382 7.3.2. Эффекторы теплообмена (теплоотдачи)......................................... 384 7.3.3. Физиологические механизмы терморегуляции............................. 385 7.3.3.1. Нервная регуляция постоянства температуры «ядра» тела................................... 385 Условно-рефлекторная регуляция............................................... 386 Безусловнорефлекторная регуляция......................................... 386 7.3.3.2. Гуморальная регуляция........................................................... 402 7.3.4. Адаптация организма к низкой и высокой температуре................. 403 7.3.5. Лихорадка..........................................................................................406 7.3.6. Математическое моделирование терморегуляции.......................... 408 7.4. Постоянство внутренней среды организма и его регуляция.............. 411 7.4.1. Характеристики внутренней среды организма................................ 412 7.4.2. Регуляция кругооборота крови........................................................ 414 7.4.3. Регуляция газового состава крови..................................................... 422 7.4.4. Регуляция уровня энергетических веществ в крови....................... 427 7.4.5. Регуляция осмотического давления крови...................................... 430 Заключение......................................................................................................435 Список использованной литературы........................................................... 436 Предметный указатель................................................................................... 437 Книги издательства «Горячая пиния - Телеком» можно заказать через почтовое агентства DESSY: 107113, г.Москва, а/я 10, а также интернет-магазин: www.dessy.ru Е. В. Ьишай, С.П.Вихров, Н.В. Гривеннан, В. М. Редькин, В. В. Самойлов, В. И. Чигирев БИОФИЗИКА ДЛЯ ИНЖЕНЕРОВ Том 2. Биомеханика, информация и реррпвание в живых системах В учебном пособии систематизированы сведения о физических и физико-химических процессах, лежащих в основе жизнедеятель ности организмов на всех уровнях их организации, необходимые для инженеров и специалистов, занимающихся разработкой и обслужи ванием биомедицинской техники. В первом томе двухтомного пособия изложены основы био энергетики и термодинамики биологических процессов, рассмотрены структура, свойства и функции биологических мембран и биоэлектрогенез. Второй том посвящен биофизическим основам двигательной активности человека, информационных и регуляторных процессов в биологических системах, а также общим принципам функционирова ния сенсорных систем. Для студентов, обучающихся по направлению «Биомедицинская техника», будет полезна инженерам и специалистам, занимающимся моделированием физиологических процессов и разработкой анали тической, диагностической и лечебной аппаратуры. 9785991200493 Сайт издательства: www.techbook.ru

БИОФИЗИКА ДЛЯ ИЯЖЕНЕРЯВ Т л и у Ьномеюника, информация

Похожие документы

Разделы

Поддержка

БИОФИЗИКА ДЛЯ ИЯЖЕНЕРЯВ Т л и у Ьномеюника, информация

Похожие документы

Добавить этот документ в коллекции

Добавить этот документ в сохраненные

Предложите, как улучшить StudyLib