МИНОБРНАУКИ РОССИИ
Санкт-Петербургский государственный электротехнический
университет “ЛЭТИ” им. В. И. Ульянова (Ленина)
К. Н. БОЛСУНОВ, Е. В. САДЫКОВА, Б. И. ЧИГИРЕВ
БИОФИЗИКА
Учебно-методический комплекс
Санкт – Петербург
Издательство СПбГЭТУ «ЛЭТИ»
2011
УДК 577.35
ББК Е071я73
Б79
Болсунов К. Н., Садыкова Е. В., Чигирев Б. И.
Б79 Биофизика: Учеб.-метод. комплекс. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ»,
2011. 192 с.
Учебно-методический комплекс предназначен для подготовки
магистров по тематическому направлению деятельности национальной
нанотехнологической сети «Нанотехнологии для систем безопасности».
УДК 577.35
ББК Е071я73
© СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2011
СОДЕРЖАНИЕ
Примерная рабочая программа дисциплины "Биофизика" .............................................
5
Конспект лекций по дисциплине "Биофизика" ................................................................
15
Учебно-методические материалы для лабораторных занятий по дисциплине
"Биофизика" .........................................................................................................................
131
Дидактические материалы по дисциплине "Биофизика" ................................................
181
3
МИНОБРНАУКИ РОССИИ
Санкт-Петербургский государственный электротехнический
университет “ЛЭТИ” им. В. И. Ульянова (Ленина)
БИОФИЗИКА
Примерная рабочая программа
Санкт – Петербург
Издательство СПбГЭТУ «ЛЭТИ»
2011
АННОТАЦИЯ ДИСЦИПЛИНЫ:
Дисциплина включает следующие разделы: основы молекулярной биофизики,
биофизика клетки, основы биофизики органов чувств. В первом разделе рассматриваются
свойства
биополимеров,
сильные
и
слабые
взаимодействия
в
биологических
макромолекулах. Раздел биофизика клетки посвящен изучению клеточных структур и
физических
свойств
клетки;
электробиологии
–
определению
электрического
сопротивления клеток вытянутой формы, находящихся в электролите, измерению
электрического сопротивления клеточных структур, явлениям поляризации, частотным
свойствам биологических тканей, механизмам формирования мембранных потенциалов,
генерации потенциалов покоя и действия, распространению возбуждения, синаптической
передаче возбуждения. В этом же разделе рассматривается механизм мышечного
сокращения и вопросы термодинамики процессов жизнедеятельности. В третьем разделе
представлены механизмы восприятия внешних стимулов и кодирование информации в
органах зрения, слуха, кожном и двигательном анализаторах, вкусовом и обонятельном
анализаторах; представлены элементы колориметрии.
6
Цель и задачи дисциплины:
Целью и задачами преподавания дисциплины является изучение биофизических
процессов в биосистемах и их структурных элементах наноуровня, ознакомление с
соответствующей терминологией, литературой, биофизическими методами исследований
проявлений
жизнедеятельности
для
применения
полученных
знаний
в
медико-
технической области. Освоение дисциплины формирует вклад в следующие компетенции:
способен использовать знания фундаментальных и прикладных дисциплин
магистерской программы (ОНК-1);
способен
осознать
основные
проблемы
своей
предметной
области,
определить методы и средства их решения (ОНК- 5);
способен идентифицировать новые области исследований, новые проблемы
в области нанотехнологии (НИД-1);
способен
анализировать
состояние
научно-технической
проблемы,
систематизировать и обобщать научно-техническую информацию по теме исследований в
области нанотехнологии (НИД-2);
способен оценивать научную значимость и перспективы прикладного
использования результатов исследований в области нанотехнологии (НИД-8);
способен обеспечивать экологическую безопасность производства на
предприятиях, работающих в области нанотехнологии (ПТД-5);
7
Требования к уровню освоения дисциплины
В результате изучения дисциплины студенты должны:
знать:
биологические и физические принципы организации биосистем;
биофизические основы функционирования клеток и клеточных структур,
тканей, органов и систем организма;
механизмы преобразования и кодирования информации в биологических
системах;
термины и определения, используемые в биофизике;
уметь:
обосновывать модельные представления о биологических объектах при
изучении биофизических процессов;
использовать соответствующий математический аппарат при описании
биофизических явлений;
иметь представление:
о методиках проведения биофизических исследований, о проблемах и
перспективах развития биофизики.
8
Содержание рабочей программы
Введение.
Биофизические процессы в биосистемах. Предмет курса и его задачи. Структура,
содержание курса, его связь с другими дисциплинами и место в подготовке специалиста.
Тема 1. Основы молекулярной биофизики.
Макромолекулы, их физические свойства. Состав и структуры белковых молекул,
сильные и слабые взаимодействия, связь между первичной и пространственной
структурами белка. Нуклеиновые кислоты, генетический код, биосинтез белка. Мутации.
Проблемы молекулярной биофизики.
Тема 2. Биофизика клетки.
Функции клеток и клеточных структур, мембранный транспорт веществ.
Физические свойства клеток Клетка как структурная и функциональная единица живого
организма. Единые принципы строения клеток. Клеточные мембраны, их структура,
конформационные свойства и роль в жизнедеятельности клеток. Искусственные мембраны
и их роль в изучении свойств биомембран. Диффузия и уравнения диффузии.
Электрохимический градиент. Фильтрация и осмос, осмотическое и онкотическое
давления, водный обмен. Активный транспорт веществ, его роль в поддержании ионных
градиентов. Основные биофизические методы определения физических свойств клеток.
Тема 3. Биоэлектрические явления.
Пассивные электрические свойства биотканей и электрическая активность
биообъектов. Электрическое сопротивление клеток, и тканей, сопротивление нервного
волокна, находящегося в электролите. Поляризация, частотные свойства биообъектов.
Активные биоэлектрические явления. Механизм возникновения биоэлектрических
потенциалов. Доннановский равновесный потенциал. Расчет мембранной разности
потенциалов. Потенциал покоя клеток, его физиологические функции. Особенности
регистрации биопотенциалов. Потенциал действия. Энергия раздражения и возбуждения,
порог раздражения. Проницаемость мембраны при раздражении. Рефрактерные периоды,
реобаза, хронаксия. Представление о модели Ходжкина-Хаксли. Распространение
нервного импульса. Миелиновая оболочка нервного волокна, сальтаторная передача
возбуждения. Моделирование процессов нервного возбуждения. Синаптическая передача,
9
химический
и
электрический
механизмы
передачи
информации
в
синапсах.
Постсинаптический потенциал, трансформация ритма в синапсах. Высокопроницаемые
контакты клеточных мембран.
Тема 4. Теплообразование в организме животных.
Места теплообразования в организме теплокровных животных. Условия передачи
тепла из организма в окружающую среду. Регулирование температуры в живых
организмах.
Тема 5. Мышечное сокращение.
Структура мышц и мышечных белков. Механизм мышечного сокращения, роль
кальция. Связь между силой сокращения и удлинением саркомера. Теплота активации и
теплота укорочения мышечного волокна.
Тема 6. Основы биофизики сенсорных систем.
Зрительный анализатор. Строение глаза как оптической системы. Системы
саморегулирования в зрительном анализаторе. Фоторецепторная система глаза. Передача
информации от фоторецепторных клеток. Фотохимические теории световой и темновой
адаптаций. Закон Вебера-Фехнера. Разрешающая способность глаза. Спектральная
чувствительность. Субъективные и физические характеристики цвета. Субъективные
эффекты при цветовых ощущениях. Трехкомпонентная теория цветового зрения,
векторное представление цвета. Понятие о колориметрических системах. Кодирование
информации в органе зрения.
Слуховой анализатор. Восприятие звука. Механорецепция. Этапы преобразования
сигнала в органе слуха, микрофонный потенциал. Кодирование информации в органе
слуха. Вестибулярный аппарат, его строение и функции.
Рецепция
запаха
и
вкуса.
Рецепция
запаха
и
молекулярное
узнавание.
Стереохимическая теория восприятия запаха. Экспериментальные исследования рецепции
запаха. Вкусовой анализатор, рецепторы вкусовых сосочков. Вкусовая адаптация.
Химическое строение вещества и его вкус.
Кожный анализатор. Тактильная, болевая и температурная рецепции. Кожные
рецепторы. Дифференцированная возбудимость кожного анализатора. Кожные системы
связи. Рецепторы мышц и суставов. Электрорецепторы. Преобразование информации в
электрорецепторах.
10
Заключение.
Основные направления развития биофизики и практическое использование
биофизических
закономерностей
функционирования
биообъектов
при
создании
медицинской техники.
Распределение по видам занятий
№
темы тем
1
2
Объем учебных часов
Название разделов и
Введение
Основы молекулярной
биофизики
Лекции
Литера-
Лабор. Практ. Аудит. Самост.
занят.
занят.
занят.
работа
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
Всего
тура по
темам
Л1 – Л5,
Д2
Функции клеток и
3
клеточных структур,
мембранный
Л1 – Л5,
Д5
транспорт веществ
4
5
6
7
8
Биоэлектрические
явления
Теплообразование в
организме животных
Мышечное
сокращение
Основы биофизики
сенсорных систем
Заключение
*
*
*
11
Л1, Л2,
Л5, Л6
Л3, Л5
Л3 – Л5,
Д1
Л2, Л7
Перечень лабораторных работ
№
1
Наименование работы
Исследование световой чувствительности зрительного анализатора,
адаптированного к темноте
Номер
темы
7
2
Исследование механизмов адаптации зрительного анализатора
7
3
Исследование остроты стереоскопического зрения
7
4
Исследование частотно-контрастной чувствительности зрения человека
7
5
Исследование свойств слухового анализатора
7
6
Исследование механических характеристик биообъектов. Вибротестер.
7
12
Учебно-методическое обеспечение дисциплины
Основная литература
№
Л1
Название, библиографическое описание
Артюхов В.Г., Ковалев Т.А., Шмелев В.П. Биофизика: учеб. пособие. – Воронеж:
Изд-во ВГУ, 1994. – 336 с.
Биофизика для инженерных специальностей в 2-х томах. I том «Биоэнергетика,
Л2
биомембранология и биологическая электродинамика» / Бигдай Е.В., Вихров С.П.,
Гривенная Н.В., Редькин В.Н., Самойлов В.О., Чигирев Б.И., под редакцией Вихрова
С.П и Самойлова В.О. Москва, «Горячая линия - Телеком». 2008. 1000 с.
Биофизика для инженерных специальностей в 2-х томах. II том «Биомеханика,
Л3
информация и регулирование в живых системах»/ Бигдай Е.В., Вихров С.П.,
Гривенная Н.В., Редькин В.Н., Самойлов В.О., Чигирев Б.И., под редакцией Вихрова
С.П и Самойлова В.О. Москва, «Горячая линия - Телеком». 2008. 1000 с.
Л4
Л5
Л6
Л7
Биофизика. Учебник для вузов. Под ред. Антонова В.Ф. – ВЛАДОС, М.:2003, 287 с.
Медицинская биофизика: учебник для вузов/ В.О. Самойлов. – 2-е изд., испр. и доп. –
СПб.: СпецЛит, 2007. – 560 с.: ил.
Медицинская и биологическая физика. Ремизов А.Н., Максина А.Г. М.: «Дрофа»,
2006.
Чигирев Б.И. Биофизика органов чувств: Учебн. пособ. СПб ГЭТУ, 2001
Дополнительная литература
№
Название, библиографическое описание
Д1
Рубин А.Б. Лекции по биофизике: Учеб. пособие.-М.: Изд. МГУ, 1994
Д2
Волькенштейн М.В. Молекулярная биофизика. М.: Наука, 1975
Д3
Беллман Р. Математические методы в медицине. М., Мир, 1987г
Д4
Волькенштейн М.В. Общая биофизика. М.: Наука, 1978
Д5
Ясуо Кагава Биомембраны. М.: Высшая школа, 1985
Д6
Д7
Артюхов В.Г. Ковалева Т.А., Шмелев В.П. Биофизика: Учеб. пособ. – Воронеж:
изд-во ВГУ
Губанов Н.И. Медицинская биофизика. -М., Медицина, 1978
13
МИНОБРНАУКИ РОССИИ
Санкт-Петербургский государственный электротехнический
университет “ЛЭТИ” им. В. И. Ульянова (Ленина)
БИОФИЗИКА
Конспект лекций
Санкт – Петербург
Издательство СПбГЭТУ «ЛЭТИ»
2011
Тема 1. Основы молекулярной биофизики
Физические свойства и взаимодействия макромолекул
Молекулярная биофизика - область молекулярной биологии, изучающая на основе
методов и положений физики строение, физические свойства и процессы биологических
молекул и систем, которые ими образованы.
Живые организмы не однородны (гетерогенны). Органические соединения
составляют 20-30% массы клетки живого организма. К ним относятся: биологические
полимеры (белки), нуклеиновые кислоты и углеводы, а также жиры и ряд небольших
молекул - гормоны, пигменты, аминокислоты, простые сахара, нуклеотиды и т.д.
Биологические
полимеры
(белки).
Высокомолекулярные
полимерные
соединения, мономером которых служат аминокислоты. Общая формула аминокислоты:
R
H2N
CH
COOH
Аминогруппа
(обладает свойствами
основания)
Карбоксильная
группа (кислотная)
Рис. 1.1. Общая формула аминокислоты.
Аминокислоты соединяются друг с другом ковалентной пептидной, или амидной,
связью. Образование ее происходит за счет аминогруппы одной аминокислоты и
карбоксильной группы другой с выделением молекулы воды:
H2N
R1
H
CH
C
+
OH
H2N
H
R2
OH
N
CH
C
OH
H
R1
H
H
R2
CH
C
N
CH
Рис. 1.2. Образование пептидной связи.
16
C
COOH + H20
Принято, что пептиды, содержащие до 20 аминокислотных остатков, относятся к
олигопептидам; среди них различают ди-, три-, тетрапептиды и т.д. Полипептиды имеют в
молекуле от 20 до 50 аминокислотных остатков. К белкам относятся полипептиды с
длиной цепи более 50 аминокислот.
Белки, выделенные из живых организмов включают несколько сотен, а иногда и
тысяч комбинаций 20 основных аминокислот.
Таблица 1.1. Основные аминокислоты.
№
Название
Обозначение
№
Название
Обозначение
п/п
аминокислоты
аминокислоты
п/п
аминокислоты
аминокислоты
1
Алланин
ALA
11
Лейцин
LEU
2
Аргенин
ARG
12
Лизин
LYS
3
Аспарагин
ASH
13
Метионин
MET
4
Аспарагиновая к-та
ASP
14
Пролин
PRO
5
Валин
VAL
15
Серин
SER
6
Гистидин
HIS
16
Тирозин
TYR
7
Глицин
GLY
17
Треонин
THR
8
Глутамин
GLN
18
Триптофан
TRP
9
Глутаминовая к-та
GHU
19
Фенил-Аланин
PHE
10
Изолейцин
ILE
20
Цистеин
CYS
У белков имеется 4 уровня структурной организации. Первичная структура
является аминокислотной последовательностью. Вторичная структура характеризует
различные типы регулярных структур, встречающихся во многих белках. Это спиральные
структуры (-спирали), образованные единичной полипептидной цепью, и складчатые
слои (-структуры), образованные двумя или несколькими участками цепи. Эти структуры
стабилизированы водородными связями, образованными между CO и NH-группами
пептидных связей в спирали. Третичная структура – цепь или спираль принимают
пространственное расположение (конформация). Четвертичная структура – в случае,
когда белковая молекула имеет несколько полипептидных цепей – взаимное расположение
третичных структур.
Утрата белковой молекулой структурной организации (без изменения химической
формулы – первичной структуры) называется денатурацией белка. Денатурация может
17
быть вызвана изменением температуры, обезвоживанием, облучением, резким изменением
pH среды и другими факторами.
Функции белков. Одна из важнейших функций белков в клетке - строительная:
белки участвуют в образовании всех клеточных мембран в органоидах клетки, а также
внеклеточных структур.
Исключительно важное значение имеет каталитическая функция белков (от греч.
katalysis - разрушение). Все биологические катализаторы - ферменты - вещества белковой
природы. Они ускоряют химические реакции, протекающие в клетке, в десятки и сотни
тысяч раз. Фермент катализирует только одну реакцию, т. е. он узкоспецифичен. Высокая
специфичность ферментативных реакций обусловлена тем, что пространственная
конфигурация активного центра фермента, т.е. участка белка, который связывает какуюлибо молекулу, точно соответствует конфигурации этой молекулы.
Двигательная функция организма обеспечивается сократительными белками. Эти
белки участвуют во всех видах движения, к которым способны клетки и организмы:
мерцание ресничек и биение жгутиков у простейших, сокращение мышц у животных.
Транспортная
функция
белков
заключается
в
присоединении
химических
элементов (например, кислорода) или биологически активных веществ (гормонов) и
переносе их к различным тканям и органам тела.
При поступлении в организм чужеродных белков или микроорганизмов в белых
кровяных тельцах - лейкоцитах - образуются особые белки - антитела. Они связывают и
обезвреживают несвойственные организму вещества. В этом выражается защитная
функция белков.
Белки служат и одним из источников энергии в клетке, т.е. выполняют
энергетическую функцию. При полном расщеплении 1 г белка выделяется 17,6 кДж
энергии.
Синтез белка.
Все многообразие свойств белков в конечном счете определяется их первичной
структурой,
т.е.
полипептидной
последовательностью
цепочке
соответствует
аминокислот.
Каждой
аминокислоте
комбинация
из
последовательно
трех
в
расположенных нуклеотидов - триплет. Например, аминокислоте цистеину соответствует
триплет АЦА, валину - ЦАА, лизину-ТТТ и т.д. Таким образом, определенные сочетания
нуклеотидов и последовательность их расположения в молекуле ДНК являются
генетическим кодом, несущим информацию о структуре белка.
18
Код включает все возможные сочетания трех (из четырех) азотистых оснований.
Таких сочетаний может быть 43 = 64, в то время как кодируются только 20 аминокислот.
Из 64 триплетов 61 кодируют аминокислоты, а остальные 3 служат сигналами начала и
окончания синтеза РНК. В результате некоторые аминокислоты кодируются несколькими
триплетами - кодонами. Эта избыточность кода (вырожденность) имеет большое значение
для повышения надежности передачи генетической информации. Например, аминокислоте
аргинину могут соответствовать триплеты ГЦА, ГЦГ, ГЦТ, ГЦЦ и т.д. Понятно, что
случайная замена третьего нуклеотида в этих триплетах никак не отразится на структуре
синтезируемого белка. В каждой молекуле ДНК, состоящей из миллионов нуклеотидных
пар, записана информация о последовательности аминокислот в сотнях различных белков,
поэтому существуют триплеты, служащие «знаками препинания» и разделяющие участки,
несущие информацию о разных белках.
Одно из основных свойств кода - его специфичность. Нет случаев, когда один и тот
же триплет соответствовал бы более чем одной аминокислоте. Код универсален для всех
живых организмов и никогда не перекрывается, т. е. кодоны транслируются (передаются)
в виде информации - триплета (кодона) иРНК всегда целиком. При считывании
информации с молекулы ДНК невозможно использование азотистого основания одного
триплета в комбинации с основаниями другого триплета.
Участок молекулы ДНК, несущий информацию о структуре одной белковой
молекулы,
называется
геном.
Вся
совокупность
наследственного
материала,
содержащегося в гаплоидном наборе хромосом данного вида организмов, носит название
генома. Другими словами, геном - это число нуклеотид-ных пар, составляющих молекулу
ДНК. Размер генома неодинаков у разных организмов и не связан прямо со сложностью
организации.
19
Таблица 1.2. Соответствие кодонов аминокислотам
Первое
положение
U (урацил)
C (цитозин)
A (аденин)
G (гуанин)
Второе положение
Третье
(нуклеотид в кодоне)
положение
U (урацил)
C (цитозин)
A (аденин)
G (гуанин)
PHE
SER
TYR
CYS
U (урацил)
PHE
SER
TYR
CYS
C (цитозин)
LEU
SER
СТОП
СТОП
A (аденин)
LEU
SER
СТОП
TRP
G (гуанин)
LEU
PRO
HIS
ARG
U (урацил)
LEU
PRO
HIS
ARG
C (цитозин)
LEU
PRO
CLN
ARG
A (аденин)
LEU
PRO
CLN
ARG
G (гуанин)
ILE
THR
ASH
SER
U (урацил)
ILE
THR
ASH
SER
C (цитозин)
ILE
THR
LYS
ARG
A (аденин)
MET
THR
LYS
ARG
G (гуанин)
VAL
ALA
ASP
GLY
U (урацил)
VAL
ALA
ASP
GLY
C (цитозин)
VAL
ALA
GHU
GLY
A (аденин)
VAL
ALA
GHU
GLY
G (гуанин)
Мутации. Если условно назвать мутации, которые меняют класс (т.е. заряд
аминокислотного остатка) «неправильными», а не меняющие класс – «правильными», то:
Таблица 1.2. Мутации.
Замена нуклеотида
«Правильные» мутации
«Неправильные» мутации
X
120
54
Y
74
102
Z
156
20
всего
350
176
%
66,5
33,5
Код устроен так, что вероятность «правильных» мутаций в два раза выше, чем
«неправильных».
20
Тема 2. Биофизика клетки.
1. Клетка – структурная и функциональная единица живого организма, которой
присущи все основные жизненные функции.
2. Клетка – элементарная биологическая единица способная самостоятельно
существовать в отсутствие других живых организмов.
Рис. 2.1. Клетка.
Цитоплазма. В цитоплазме находится целый ряд структур (органелл или
органоидов), каждая из которых имеет закономерные особенности строения и поведения в
различные периоды жизнедеятельности клетки и выполняет определенную функцию. Есть
органоиды, свойственные всем клеткам, - митохондрии, клеточный центр, аппарат
Гольджи, рибосомы, эндоплазматическая сеть, лизосомы. И есть органеллы, характерные
только для определенных типов клеток, - миофибриллы, реснички и т.д.
Органоиды - постоянные, жизненно важные составные части клеток.
В
цитоплазме
откладываются
также
различные
вещества
-
включения.
Включениями называют непостоянные структуры цитоплазмы (а иногда и ядра), которые
в отличие от органоидов то возникают, то исчезают в процессе жизнедеятельности клетки.
Плотные
включения
называют
гранулами,
жидкие
-
вакуолями.
В
процессе
жизнедеятельности в клетках накапливаются продукты обмена веществ (пигменты,
21
белковые гранулы в секреторных клетках) или запасные питательные вещества (глыбки
гликогена, капли жира).
В основе структурной организации клетки лежит мембранный принцип строения.
Это означает, что клетка в основном построена из мембран. Все мембраны имеют сходное
строение.
В настоящее время общепринята модель жидкостно-мозаичного строения мембран.
Наружная цитоплазматическая мембрана. Она имеется у всех клеток и
отграничивает содержимое цитоплазмы от внешней среды, образуя поверхность клетки. В
цитоплазматической мембране есть многочисленные мельчайшие отверстия - поры, через
которые с помощью ферментов внутрь клетки могут проникать ионы и мелкие молекулы.
Кроме того, ионы и мелкие молекулы могут проникать в клетку непосредственно через
мембрану. Поступление ионов и молекул в клетку - не пассивная диффузия, а активный
транспорт, требующий затрат энергии. Транспорт веществ носит избирательный
характер.
Эндоплазматическая
сеть
(эндоплазматический
ретикулум).
Наружная
цитоплазматическая мембрана продолжается в мембраны эндоплазматической сети.
Эндоплазматическая сеть - это сложная система мембран, пронизывающая цитоплазму
всех клеток. Она особенно развита в клетках с интенсивным обменом веществ. В среднем
объем эндоплазматической сети составляет от 30 до 50 % всего объема клетки. Различают
два вида эндоплазматической сети: гладкую и шероховатую. Одной из функций гладкой
эндоплазматической сети является синтез липидов и углеводов. Особенно обильно гладкая
эндоплазматическая сеть представлена в клетках сальных желез, где осуществляется
синтез жиров, в клетках печени (синтез гликогена), в клетках, богатых запасными
питательными веществами (семена растений).
Основная функция шероховатой эндоплазматической сети - синтез белка, который
осуществляется в рибосомах, покрывающих поверхность уплощенных мембранных
мешочков (цистерн) эндоплазматической сети, за что она и получила название
шероховатой. Затем белок транспортируется по цистернам в аппарат Гольджи. Мембраны
эндоплазматической сети выполняют еще одну функцию - пространственного разделения
ферментных систем,
что необходимо для их
последовательного
вступления в
биохимические реакции.
Таким образом, эндоплазматическая сеть - общая внутриклеточная циркуляционная
система, по каналам которой осуществляется транспорт веществ, а в мембраны этих
22
каналов встроены многочисленные ферменты, обеспечивающие жизнедеятельность
клетки.
Рибосомы. Представляют собой сферические частицы диаметром 15 -35 нм,
состоящие из двух частей - субъединиц. Рибосомы состоят из примерно равных (по массе)
количеств белка и РНК. Рибосомная РНК (рРНК) синтезируется в ядре на молекуле ДНК
одной из хромосом в зоне ядрышка. Там же формируются рибосомы, которые затем
покидают ядро. В цитоплазме рибосомы могут располагаться свободно или быть
прикрепленными к наружной поверхности мембран эндоплазматической сети. В
зависимости от типа синтезируемого белка рибосомы могут "работать" по одиночке или
объединяться в комплексы - полирибосомы (полисомы).
Комплекс Гольджи. Основной структурный элемент комплекса Гольджи мембрана, которая образует пакеты уплощенных цистерн, крупные вакуоли или мелкие
пузырьки.
Комплекс Гольджи особенно развит в клетках, вырабатывающих белковый секрет,
а также в нейронах и овоцитах. Цистерны комплекса Гольджи соединены с каналами
эндоплазматической сети. Синтезированные на мембранах эндоплазматической сети
белки, полисахариды, жиры транспортируются к комплексу Гольдки, конденсируются
внутри его структур и «упаковываются» в виде секрета, готового либо к выделению, либо
к использованию в самой клетке в процессе ее жизнедеятельности.
Митохондрии. Эти органоиды есть во всех типах эукариотических клеток
одноклеточных и многоклеточных организмов. Всеобщее распространение митохондрий в
живом мире указывает на их важную роль в клетке.
Митохондрии имеют форму сферических, овальных и цилиндрических телец, могут
быть нитевидной формы. Размеры их составляют 0,2 - 1,0 мкм в диаметре и до 7 мкм
длины. Количество митохондрий в разных тканях неодинаково и зависит от
функциональной активности клетки: их больше там, где интенсивны синтетические
процессы (например, в печени) или велики затраты энергии (например, в грудной мышце
хорошо летающих птиц).
Митохондрии тесно связаны с мембранами эндоплазматической сети, каналы
которой нередко открываются прямо в митохондрии. Число митохондрий может быстро
увеличиваться путем деления, что обусловлено молекулой ДНК, входящей в их состав.
Стенка митохондрий состоит из двух мембран - наружной и внутренней. Наружная стенка
гладкая; а от внутренней в глубь органоида отходят перегородки, или кристы. На
мембранах
крист
располагаются
многочисленные
23
ферменты,
участвующие
в
энергетическом обмене. Количество крист зависит от функции клеток. В митохондриях
мышц их очень много, и они занимают всю внутреннюю полость органоида. Основная
функция митохондрий - синтез универсального источника энергии - аденезинтрифосфата
(АТФ).
Лизосомы (от греч. lysis — растворение и soma — тело). Представляют собой очень
мелкие овальные тельца диаметром около 0,4 мкм, окруженные мембраной. В лизосомах
находится более 30 типов ферментов, способных расщеплять белки, нуклеиновые
кислоты, полисахариды, липиды и другие вещества. Расщепление веществ с помощью
ферментов называется лизисом, отсюда название органоида. Лизосомы образуются или из
структур комплекса Гольджи, или непосредственно из эндоплазматической сети. Они
приближаются к пиноцитозным или фагоцитозным вакуолям и изливают в их полость свое
содержимое. Таким образом, одна из основных функций лизосом - участие во
внутриклеточном переваривании пищевых веществ. Кроме того, лизосомы могут
разрушать структуры самой клетки при ее отмирании, в ходе эмбрионального развития и в
ряде других случаев. По-видимому, переваривание клеточных структур играет важную
роль в метаболизме клеток. Однако пока неизвестно точно, каким образом лизосомы
«распознают» внутриклеточный материал, подлежащий разрушению.
Клеточный центр. В состав клеточного центра входят два небольших тельца
цилиндрической формы, расположенных под прямым углом друг к другу. Они называются
центриолями. Стенка центриоли состоит из девяти групп микротрубочек, каждая из
которых включает по три микротрубочки. Центриоли относятся к самовоспроизводящимся
органоидам цитоплазмы. Клеточный центр играет важную роль в клеточном делении.
Клеточное ядро. Ядро — важнейшая составная часть клетки, содержащая ДНК,
т.е. гены. Благодаря этому ядро выполняет две главные функции:
1.
хранение и воспроизведение генетической информации;
2. регуляция процессов обмена веществ, протекающих в клетке. Большинство
клеток имеет одно ядро. Нередко можно наблюдать 2— 3 ядра в одной клетке (например, в
клетках печени). Известны и многоядерные клетки, причем число ядер может достигать
нескольких десятков.
Строение ядра. Форма ядра большей частью зависит от формы клетки. Впячивания
и выросты ядерной оболочки значительно увеличивают его поверхность и тем самым
усиливают связь ядерных и цитоплазматических структур.
Ядро окружено оболочкой, состоящей из двух мембран. Наружная ядерная
мембрана с поверхности, обращенной в цитоплазму, покрыта рибосомами, внутренняя
24
мембрана гладкая. Ядерная оболочка — часть мембранной системы клетки. Выросты
внешней ядерной мембраны соединяются с каналами эндоплазматической сети, образуя
единую систему сообщающихся каналов.
Обмен веществ между ядром и цитоплазмой осуществляется двумя основными
путями. Во-первых, ядерная оболочка пронизана многочисленными порами, через которые
идет обмен молекулами между ядром и цитоплазмой. Во-вторых, вещества из ядра в
цитоплазму и обратно могут попадать вследствие отшнуровывания впячиваний и
выростов ядерной оболочки. Кроме того, мелкие молекулы могут диффундировать через
ядерную оболочку. Несмотря на активный обмен веществ между ядром и цитоплазмой,
ядерная оболочка
отграничивает ядерное
содержимое
от цитоплазмы,
создавая
возможность существования особой внутриядерной среды, отличной от окружающей
цитоплазмы. Это необходимо для нормального функционирования ядерных структур.
В состав ядерного сока (или кариоплазмы) входят ферменты, рибосомальные и
структурные белки хромосом. Кроме этого, в ядерном соке находятся свободные
нуклеотиды, аминокислоты, а также продукты деятельности ядрышка и хроматина.
Ядрышко - характерная структура ядра. Оно представляет собой плотное округлое
тельце, погруженное в ядерный сок. В ядрах разных клеток, а также в ядре одной и той же
клетки в зависимости от ее функционального состояния число ядрышек может колебаться
от 1 до 5 - 7 и более. Ядрышки есть только в неделящихся ядрах. Во время митоза они
исчезают, а после завершения деления вновь появляются.
Ядрышко не представляет собой самостоятельную структуру ядра. Оно образуется
вокруг участка хромосомы, в котором закодирована структура рРНК. Гены рРНК
построены в виде длинных повторов, число которых в зависимости от вида эукариот
колеблется от сотен до нескольких тысяч.
Этот участок хромосомы (он может находиться в одной или в нескольких
хромосомах) носит название ядрышкового организатора, и на нем синтезируется рРНК.
Кроме накопления рРНК в ядрышке осуществляется процессинг про-рРНК и формируются
субъединицы рибосом, которые потом перемещаются в цитоплазму. Таким образом,
ядрышко - это скопление рРНК и субъединиц рибосом на разных этапах формирования.
Знания о физике клетки получают из пяти основных областей исследования:
1.
Изучение вязкости протоплазмы (изучение основ коллоидной химии
протоплазмы).
2.
Изучение биологических мембран.
3.
Изучение электрических свойств клетки.
25
4.
Изучение клеточной проницаемости для различных веществ.
5.
Изучение оптических свойств клетки.
Основы биофизики мембран
Биофизика мембран - важнейший раздел биофизики клетки, имеющий большое
значение для биологии. Многие жизненные процессы протекают на биологических
мембранах. Нарушение мембранных процессов - причина многих патологий. Лечение
также во многих случаях связано с воздействием на функционирование биологических
мембран.
Мембрана – динамическая надмолекулярная структура, толщина которой много
меньше ее площади. Следовательно мембрана – двумерное образование (h 210 нм).
Основные функции биологических мембран
Важнейшими условиями существования клетки (и клеточных органелл) являются, с
одной стороны, автономность по отношению к окружающей среде (вещество клетки не
должно смешиваться с веществом окружения, должна соблюдаться автономность
химических реакций в клетке и ее отдельных частях); с другой стороны, связь с
окружающей средой (непрерывный, регулируемый обмен веществом и энергией между
клеткой и окружающей средой). Живая клетка - открытая система.
Единство автономности от окружающей среды и одновременно тесной связи с
окружающей средой - необходимое условие функционирования живых организмов на всех
уровнях их организации. Поэтому важнейшее условие существования клетки, и,
следовательно, жизни - нормальное функционирование биологических мембран.
Принято выделять 5 групп основных проблем биофизики мембран:
1.
Молекулярное строение мембран.
2.
Роль мембран как систем, обеспечивающих транспорт веществ.
3.
Физическая
сущность
возбудимости
мембран.
(Возникновение
биопотенциалов покоя и действия).
4.
Биоэнергетика мембран. (Преобразование химической энергии АТФ в
механическую, электрическую, химическую работу, совершаемую в мембранах).
5.
Физика процессов рецепции.
К основным функциям биологических мембран относят:
26
- барьерная - обеспечивает селективный, регулируемый, пассивный и активный
обмен веществом с окружающей средой (селективный - значит, избирательный: одни
вещества переносятся через биологическую мембрану, другие - нет; регулируемый проницаемость мембраны для определенных веществ меняется в зависимости от генома и
функционального состояния клетки);
- матричная - обеспечивает определенное взаимное расположение и ориентацию
мембранных
белков,
обеспечивает
их
оптимальное
взаимодействие
(например,
оптимальное взаимодействие мембранных ферментов);
- механическая - обеспечивает прочность и автономность клетки, внутриклеточных
структур.
- энергетическая - синтез АТФ на внутренних мембранах митохондрий и
фотосинтез в мембранах хлоропластов;
- генераторная - генерация и проведение биопотенциалов;
-
рецепторная
-
механическая,
акустическая,
обонятельная,
зрительная,
химическая, терморецепция - мембранные процессы.
Общая площадь всех биологических мембран в организме человека достигает
десятков тысяч квадратных метров. Относительно большая совокупная площадь связана с
огромной ролью мембран в жизненных процессах.
Структура биологических мембран
Первая модель строения биологических мембран была предложена в 1902 г. Было
замечено, что через мембраны лучше всего проникают вещества, хорошо растворимые в
липидах, и на основании этого было сделано предположение, что биологические
мембраны состоят из тонкого слоя фосфолипидов. На самом деле, на поверхности раздела
полярной и неполярной среды (например, воды и воздуха) молекулы фосфолипидов
образуют
мономолекулярный
(одномолекулярный)
слой.
Их
полярные
"головы"
погружены в полярную среду, а неполярные "хвосты" ориентированы в сторону
неполярной среды. Поэтому и можно было предположить, что биологические мембраны
построены из монослоя липидов.
В 1925 г. Гортер и Грендел показали, что площадь монослоя
липидов, экстрагированных из мембран эритроцитов, в два раза больше
суммарной площади эритроцитов. Гортер и Грендел экстрагировали
липиды из гемолизированных эритроцитов ацетоном, затем выпаривали
раствор на поверхности воды и измеряли площадь образовавшейся мономолекулярной
27
пленки липидов. На основании результатов этих исследований была высказана идея, что
липиды в мембране располагаются в виде бимолекулярного слоя.
Эту гипотезу подтвердили исследования электрических параметров биологических
мембран (Коул и Кертис, 1935 г.): высокое электрическое сопротивление 107 Омм2 и
большая емкость 0,5102 Ф/м2.
белок
фосфолипиды
Рис. 2.2. Структура мембраны.
Однако мембрана - это не только липидный бислой. Имелись экспериментальные
данные, которые свидетельствовали о том, что биологическая мембрана состоит и из
белковых молекул. Например, при измерении поверхностного натяжения клеточных
мембран было обнаружено, что измеренные значения коэффициента поверхностного
натяжения значительно ближе к коэффициенту поверхностного натяжения на границе
раздела белок-вода (около 10-4 Н/м), нежели на границе раздела липид-вода (около 10-2
Н/м). Эти противоречия экспериментальным результатам были устранены Даниелли и
Девсоном, предложившими в 1935 г. так называемую бутербродную модель строения
биологических
мембран,
которая
с
некоторыми
несущественными
изменениями
продержалась в мембранологии в течение почти 40 лет. Согласно этой модели мембрана трехслойная. Она образована двумя расположенными по краям слоями белковых молекул
с липидным бислоем посередине; образуется нечто вроде бутерброда: липиды, наподобие
масла, между двумя "ломтями" белка.
Однако по мере накопления экспериментальных данных пришлось в конце концов
отказаться и от бутербродной модели строения биологических мембран.
28
Рис. 2.3.
Совокупность результатов, полученных физическими и химическими методами
исследования, дала возможность предложить новую жидкостно-мозаичную модель
строения биологических мембран (Сингер и Никольсон, 1972 г.). Согласно Сингеру и
Никольсону, структурную основу биологической мембраны образует двойной слой
фосфолипидов,
инкрустированный
белками.
Различают
поверхностные
(или
периферические) и интегральные белки.
Липиды находятся при физиологических условиях в жидком агрегатном состоянии.
Это позволяет сравнить мембрану с фосфолипидным морем, по которому плавают
белковые "айсберги". Одним из подтверждений жидкостно-мозаичной модели является и
тот факт, что, как установил химический анализ, в разных мембранах соотношение между
содержанием белков и фосфолипидов сильно варьирует: в миелиновой мембране белков в
2,5 раза меньше, чем липидов, а в эритроцитах, напротив, белков в 2,5 раза больше, чем
липидов. При этом, согласно современной модели, соотношение количества белков и
липидов во всех мембранах должно быть примерно одинаково. Тот факт, что не вся
поверхность биологической мембраны покрыта белками, показал и метод ядерного
магнитного резонанса.
Кроме фосфолипидов и белков, в биологических мембранах содержатся и другие
химические соединения. В мембранах животных клеток много холестерина (в сравнимом
количестве с фосфолипидами и белками). Есть в мембранах и другие вещества, например
гликолипиды, гликопротеиды.
Жидкостно-мозаичная модель строения мембраны в настоящее время общепринята.
Однако, как всякая модель, она дает довольно упрощенную картину строения мембраны. В
частности, обнаружено, что белковые "айсберги" не всегда свободно плавают в липидном
29
море, а могут быть "заякорены" на внутренние (цитоплазматические) структуры клетки. К
таким структурам относятся микрофиламенты и микротрубочки. Микротрубочки - полые
цилиндры диаметром около 300 нм из особого белка (тубулина) играют, по-видимому,
важную роль в функционировании клетки.
Выяснилось также, что не все липиды в мембране расположены по принципу
бислоя. Физические методы исследования показали, что липидная фаза мембран содержит
также участки, где липидные молекулы не образуют двойной слой.
Изучением сложного химического состава мембран, мембранных белков и других
веществ занимается биохимия. Основная область приложения биофизики - структурная
основа мембраны, а именно двойной слой фосфолипидных молекул.
Искусственные мембраны
Липосомы, или фосфолипидные везикулы (пузырьки), получают обычно при
набухании сухих фосфолипидов в воде или при впрыскивании раствора липидов в воду.
При этом происходит самосборка бимолекулярной липидной мембраны. Минимуму
энергии Гиббса отвечает замкнутая сферическая одноламеллярная форма мембраны. При
этом все неполярные гидрофобные хвосты находятся внутри мембраны и ни один из них
не соприкасается с полярными молекулами воды. Однако чаще получаются несферические
многоламеллярные липосомы, состоящие из нескольких бимолекулярных слоев, многослойные липосомы.
Рис. 2.4. Липосомы.
Отдельные бимолекулярные слои многослойной липосомы отделены водной
средой. Толщина липидных слоев составляет, в зависимости от природы липидов, 6,5-7,5
нм, а расстояние между ними - 1,5 - 2 нм. Диаметр многослойных липосом колеблется в
пределах от 60 нм до 400 нм и более.
30
Однослойные липосомы можно получить различными методами, например из
суспензии
многослойных
липосом,
если
обработать
их
ультразвуком.
Диаметр
однослойных липосом, полученных этим методом, составляет 25 - 30 нм. Разработаны и
другие методы получения однослойных липосом, в том числе диаметром до 400 нм и
более.
Липосомы представляют собой в некотором роде прообраз клетки. Они служат
моделью для исследований различных свойств клеточных мембран.
Липосомы нашли непосредственное применение в медицине. Например, можно
заключить внутрь липосом лекарственный препарат и использовать как фосфолипидную
микрокапсулу для доставки лекарства в определенные органы и ткани. Липосомы не
токсичны (при правильном подборе липидов), полностью усваиваются организмом,
способны преодолевать некоторые биологические барьеры. Так, инсулин, заключенный в
липосому, защищен от действия пищеварительных ферментов. В настоящее время
выясняется возможность вводить этот препарат в липосомах перорально, что может
избавить больных диабетом от необходимости систематических уколов. Проводятся
работы по разработке методов липосомальной терапии опухолей, ферментативной
недостаточности,
атеросклероза.
Изучается
возможность
прицельной
доставки
лекарственного препарата, заключенного в липосомах, к больному органу или даже к
больному участку (в частности, к пораженному участку сердца).
Для этого к липосоме присоединяется белковая молекула - антитело к
соответствующему мембранному антигену органа-мишени. Липосомы с током крови
разносятся по всему организму и задерживаются, оказавшись около органа-мишени.
Рис. 2.5. Плоские бислойные липидные мембраны
31
Несмотря на заманчивые перспективы липосомальной терапии, еще имеется
достаточно много нерешенных вопросов.
Плоские бислойные липидные мембраны (БЛМ) - другой тип модельных мембран.
Такие мембраны получают на маленьких отверстиях диаметром около 1 мм в пластинке из
пластика (например, фторопласта), погруженной в водную среду. На отверстие наносят
каплю раствора липида (в спирте, хлороформе, гептане или других растворителях).
Растворитель диффундирует из раствора в воду, и на отверстии остается пленка липида.
Эта пленка спонтанно утончается до тех пор, пока не образуется бимолекулярный слой
толщиной около 6 нм. Лишний липид собирается в виде ободка-торуса у краев отверстия.
Плоские липидные мембраны, наряду с липосомами, широко используются в
качестве моделей для изучения электрических свойств мембраны, их проницаемости и
других научных исследований. С помощью модельных мембран изучают ряд функций
биологических мембран, а том числе, барьерную (например, селективность проницаемости
- хорошую проницаемость для воды и плохую для ионов). Можно моделировать
биологический транспорт, вводя в модельную мембрану молекулы-переносчики.
Транспорт веществ через биологические мембраны
Рис. 2.6. Транспорт веществ через биологические мембраны
Из определения активного транспорта следует, что его важнейшим свойством
является перенос веществ вопреки действию физико-химических градиентов (вопреки
32
электродиффузионному уравнению Нернста-Планка), то есть в сторону более высокого
электрохимического
потенциала
благодаря
термодинамическому
сопряжению
концентрационного и электрического градиентов с расходованием свободной энергии
организма. Поэтому система уравнений переноса выглядит так:
dm
dt A11 grad C A12 grad U A13 x
dq
A21 grad C A22 grad U A23 x
dt
d
dt A31 grad C A32 grad U A33
x
Химический потенциал (x) количественно характеризует вклад ферментативных
реакций
в
свободную
энергию
биомембраны,
необходимую
для
преодоления
сопряжённого действия концентрационного и электрического градиентов. Если изменения
свободной энергии клетки, обеспечивающие активный транспорт через мембрану,
обусловлены макроэргами (АТФ), то в этих уравнениях: ν – число молей АТФ,
затраченных на массоперенос, а μх равен приросту свободной энергии клетки при
гидролизе 1 моля АТФ (в стандартных условиях это составляет 31,4 кДжмоль-1).
Сказанное позволяет сформулировать второе характерное свойство систем
активного транспорта – необходимость энергетического обеспечения за счёт свободной
энергии, выделяющейся либо непосредственно в ходе окислительно-восстановительных
реакций, либо при гидролизе макроэргов, синтезированных впрок при тех же реакциях.
Необходимо подчеркнуть, что свободная энергия, обеспечивающая активный транспорт,
черпается биомембранами в ходе химических процессов, связанных непосредственно с
переносом веществ через них, то есть из химических реакций, в которых участвуют сами
мембранные компоненты систем активного транспорта. В этом состоит коренное отличие
активного транспорта от других способов транспорта веществ через БМ, также
нуждающихся в затратах свободной энергии. Оно станет понятнее после рассмотрения
облегчённой диффузии.
Свободная энергия (G), затрачиваемая на трансмембранный перенос одного моля
вещества в направлении более высокого электрохимического потенциала, рассчитывается
по формуле: (G = RT ln(C1/C2) где C1 > C2.
У человека в покое примерно 30 – 40% всей энергии, образующейся в ходе
метаболических процессов, расходуется на активный транспорт. В некоторых случаях на
33
его обеспечение может затрачиваться почти вся свободная энергия, вырабатываемая
клеткой. Ткани, в которых активный транспорт особенно интенсивен, потребляют много
кислорода даже в покое.
Третье свойство систем активного транспорта заключается в их специфичности:
каждая из них обеспечивает перенос через биологические мембраны только данного
вещества (или группы их) и не переносит другие. Правда, активный транспорт ионов
натрия бывает сопряжён с пассивным переносом в том же направлении других веществ
(например глюкозы, некоторых аминокислот и т.д.). Это явление называют симпортом.
Некоторые системы активного транспорта переносят одно вещество в данном
направлении, а другое – в противоположном. Так, калий-натриевая помпа закачивает
калий из межклеточной среды в цитоплазму и откачивает натрий из клетки. Такой вид
транспорта называют антипортом.
Когда эти ионы начинают перемещаться через биологическую мембрану в
направлении более низкого электрохимического потенциала, то натрий-калиевая помпа
становится генератором АТФ. Это явление получило название эффекта обращения систем
активного
транспорта:
на
перекачивание
ионов
в
сторону
более
высокого
электрохимического потенциала насосы затрачивают свободную энергию, гидролизуя
АТФ, тогда как при движении ионов в противоположном направлении они преобразуют
энергию градиентов в энергию макроэргической связи АТФ, синтезируя его из АДФ.
Специфичность систем активного транспорта служит одним из самых действенных
механизмов селективной проницаемости клеточных мембран и придания им векторных
свойств.
В составе любой системы активного транспорта веществ через БМ можно выделить
три основных компонента: источник свободной энергии, переносчик данного вещества,
сопрягающий (регуляторный) фактор. Последний сопрягает работу переносчика с
источником энергии. Все компоненты систем активного транспорта образуют сложный
молекулярный комплекс в клеточной мембране.
В большинстве известных систем активного транспорта непосредственным
источником свободной энергии служит АТФ. За счёт присоединения его концевой
фосфатной группы, предварительно оторванной при гидролизе, к мембранному
переносчику последний фосфорилируется и приобретает дополнительную энергию,
достаточную
для
преодоления
физико-химических
градиентов,
препятствующих
движению переносимого вещества. Следовательно, фосфорилированный комплекс
переносчика с транспортируемым веществом способен преодолеть потенциальный барьер,
34
неприступный для него до фосфорилирования. Отдавая перенесённое вещество на
противоположной
стороне
биологической
мембраны,
молекулы
переносчика
системами
активного
транспорта
дефосфорилируются и теряют энергию.
Реже
свободная
энергия
черпается
непосредственно из окислительно-восстановительных реакций, то есть из цепи переноса
электронов.
О переносчиках, обеспечивающих активный транспорт, известно пока немногое.
По-видимому,
в
разных
системах
активного
транспорта
работа
переносчиков
осуществляется посредством различных механизмов. Во-первых, переносчиками могут
быть сравнительно мелкие белковые молекулы, присутствующие в биологических
мембранах. В этом случае молекула переносчика, приняв транспортируемое вещество,
проходит всю толщу биомембраны, работая по типу малой или большой карусели. Вовторых, переносчиками могут служить крупные молекулы мембранных белков, насквозь
пронизывающие фосфолипидный бислой. Им, вероятно, свойственны такие механизмы,
как ротация или сдвиг.
Третий компонент системы активного транспорта обеспечивает сопряжение работы
переносчика с источником энергии. Такое сопряжение может заключаться в переносе
фосфатной группы с АТФ на переносчик. Чтобы фосфорилировать переносчик, нужно
прежде гидролизовать АТФ. Гидролиз АТФ достаточно эффективен только в присутствии
специальных
ферментов,
называемых
АТФазами.
Они-то
и
служат
фактором,
сопрягающим работу переносчика с источником энергии в основных системах активного
транспорта (натрий-калиевой и кальциевой помпах). Название этой ферментной системы
употреблено во множественном числе не случайно. Для активного транспорта каждого
вещества в тех случаях, когда источником энергии является АТФ, обнаружена
специфическая АТФаза. Каждая из транспортных АТФаз активируется именно тем
веществом, чей активный транспорт она обеспечивает. Например, Са-активируемая
АТФаза переходит в активное состояние только тогда, когда концентрация Са2+ в
примембранном пространстве достигает определённого уровня, при котором необходим
активный транспорт этого иона.
Все транспортные АТФазы связаны с клеточными мембранами и проявляют
высокую специфичность, катализируя реакции, течение которых строго зависит от
направления подхода к БМ транспортируемых веществ. Так, Na-К-активируемая АТФаза
приобретает активность при взаимодействии с нею натрия внутри клетки, а калия –
35
снаружи. Она не активируется при самых значительных концентрациях натрия в
межклеточной среде и калия – в цитозоле.
Зависимость потока (Ф) переносимого вещества через клеточную мембрану от его
концентраций по обе её стороны (Сi и Се) при участии транспортной АТФазы описывается
Ф
уравнением:
Сe
С А р Сi
,
2 ki Ci k e Ce
где СА – концентрация АТФазы в
биомембране, р – проницаемость мембраны для комплекса “переносимое вещество –
фермент”, ki и kе – константы диссоциации этого комплекса на внутренней и наружной
поверхностях биологической мембраны.
В клеточной мембране постоянно присутствуют и переносчики, и транспортные
АТФазы, в примембранном пространстве клетки находится АТФ, выходящий из
митохондрии, которые подтягиваются к местам активного транспорта. Однако вся система
не работает до появления определённого стимула, которым обычно служит нарастание
концентрации вещества, подлежащего активному транспорту. Это вещество активирует
специфическую АТФазу, которая, в свою очередь, катализирует гидролиз АТФ с
отщеплением
концевой
фосфатной
группы.
Присоединяясь
к
переносчику,
она
фосфорилирует его. При фосфорилировании переносчик приобретает дополнительную
свободную энергию, необходимую и достаточную для трансмембранного переноса
вещества вопреки действию физико-химических градиентов.
Так, внутри клетки повышение содержания Na+ выше определённого уровня
активирует Na-K-активируемую АТФазу, а она – реакцию гидролиза АТФ:
Na
Na K активируемая АТФаза
АТФ Н 2 О АДФ Н 3 РО4 .
Пассивный транспорт
Осмос – прохождение растворителя через полупроницаемую мембрану из области с
меньшей концентрацией вещества в область с большей концентрацией за счет
осмотического давления. Данное явление может быть проиллюстрировано одним из
методов выделения мембран (можно встретить термин «теней») эритроцитов. Эритроцит
помещают дистиллированную воду. За счет осмотического давления растворитель (вода)
проникает через полупроницаемую мембрану внутрь эритроцита, он набухает и лопается.
В результате исследователь получает мембрану.
36
Электроосмос – перемещение растворителя с полярными молекулами под
действием электрохимического градиента.
Фильтрация – проникновение растворителя через полупроницаемую мембрану
под действием гидростатического давления.
Свободная диффузия. Диффузия состоит в молекулярном движении вещества из
области с большей концентрацией (С1) в область, с меньшей концентрацией (С2). При
переносе молекул через мембрану толщиной l и площадью s уравнение переноса,
определяющее скорость диффузии, имеет вид: dm/dt = - D×s×lim[(С1- С2)/l], где D –
коэффициент диффузии.
С учётом того, что обобщённой координатой в данном уравнении является масса
переносимого вещества (хi = m), а обобщённой силой – концентрационный градиент, и
обозначив произведение D на s величиной AD получим: dm/dt = AD×grad(C).
Нернст установил, что для молекул сферической формы зависимость D от силы
трения (Fтр) отображается следующим выражением: D = [(R×T)/NA]×[1/Fтр], где R –
универсальная газовая постоянная (R = 8,32103 ДжК-1кмоль-1), T – абсолютная
температура, NA – число Авогадро.
По закону Стокса: Fтр = 6πr, где – вязкость среды, r – эффективный радиус
диффундирующей молекулы (радиус Стокса–Эйнштейна), представляющий собой радиус
не реальной молекулы, а эквивалентной сферической частицы, имеющей тождественную
диффузионную способность.
Из
формул
Нернста
и
Стокса
следует
формула
Стокса–Эйнштейна:
D = (RT)/(6πrNA), [м2c-1].
Таким образом, первый закон Фика (физиолог А. Фик пришел к нему
эмпирическим путем в 1855 г.) может быть записан в следующем виде:
dm/dt = D×s×grad(C)
Этот закон лежит в основе биофизических механизмов транспорта веществ в
организме. Уравнение Фика с успехом применяется в технике при решении многих задач,
связанных с переносом газов и жидкостей. Закон Фика является основой конструирования
ряда
биотехнических
систем.
Например,
в
аппаратах
экстракорпорального
кровообращения по формуле Фика рассчитывают диффузию газов в оксигенаторе, а в
приборе “искусственная почка” – диффузию веществ через мембрану ионообменника.
Облегченная диффузия. Облегчённой диффузией (ОД) называют транспорт
веществ через клеточные мембраны, который происходит в том же направлении, что и
37
свободная диффузия, но гораздо быстрее. Её движущей силой служит электрохимический
потенциал на биомембране.
Облегченная
Ci
диффузия
Свободная
диффузия
Ce
Рис. 2.7. Свободная и облегченная диффузия
Другим важным отличительным признаком ОД является эффект насыщения, не
свойственный свободной диффузии. По достижении определённой концентрации
вещества в примембранном пространстве скорость его переноса через мембрану
устанавливается на постоянном уровне и не нарастает при дальнейшем повышении
концентрации. Этот признак служит надёжным критерием ОД, так как эффект насыщения
довольно легко выявляется при проведении опытов.
Облегчённая диффузия характеризуется рядом свойств, которые типичны для
ферментативных
процессов.
Её
температурный
коэффициент
такой
же,
как
у
ферментативных реакций. Ей свойственны различия в скорости транспорта оптических
изомеров, а также конкурентное и неконкурентное ингибирование (конкурентные
ингибиторы снижают скорость трансмембранного переноса только структурно близких
соединений, тогда как неконкурентные – самых разных веществ).
Системами ОД обладают почти все растительные и животные клетки. Между тем,
далеко не все вещества транспортируются таким образом. ОД установлена для
моносахаридов, аминокислот и некоторых ионов. Все они хорошо растворяются в воде.
Очевидно, клетка использует ОД для трансмембранного переноса тех ингредиентов,
которые она черпает из окружающей её среды. Механизм ОД присущ многим клеткам
млекопитающих по отношению к тем веществам, которые поступают к ним из плазмы
крови. Промежуточные продукты обмена (фосфорилированные сахара, макроэрги,
продукты метаболизма аминокислот и др.) не способны к ОД в организме. По-видимому,
38
это продиктовано потребностью задерживать их внутри клеток (или определённых
органоидов) до завершения метаболических процессов.
ОД обеспечивается нередко переносчиками, которые связываются с молекулами
транспортируемого вещества, образуя соединение, подобное фермент-субстратному
комплексу. При транспорте с участием переносчика эффект насыщения обусловлен, как
правило,
вовлечением
в
транспортный
процесс
всех
молекул
переносчика,
присутствующих в биомембране.
Для осуществления ОД необходимо беспрестанно снижать концентрацию
переносимого вещества внутри клетки (или органоида), поддерживая её фактически на
нулевом уровне. Тогда при относительно постоянном и даже понижающемся значении Се
устанавливается
транспортируемого
так
называемый
вещества
на
благоприятный
биомембране.
концентрационный
Это
достигается
градиент
включением
перенесённого агента в разнообразные метаболические процессы. Примерами могут
служить полимеризация мономеров (глюкоза гликоген, аминокислоты пептиды),
превращение одного мономера в другой (преобразование одной аминокислоты в другую
аминокислоту или в кетокислоту), образование комплексов (например, аминокислотатРНК). Перечислены далеко не все подобные процессы, но даже из приведённых примеров
можно понять, что благоприятный градиент поддерживается благодаря ферментативной
активности внутриклеточных систем обмена веществ.
Все перечисленные реакции нуждаются в затратах свободной энергии. Она
необходима для синтеза полимеров, для образования комплексов, для взаимных
превращений мономеров. Поэтому ОД всегда требует энергоснабжения, осуществляемого
макроэргическими соединениями. Этим она отличается от свободной диффузии и
проявляет определённое сходство с активным транспортом. Однако при активном
транспорте свободная энергия выделяется в ходе химических реакций, в которых
непосредственно участвуют компоненты транспортной системы, тогда как при ОД затраты
свободной энергии не связаны непосредственно с транспортом веществ. Она тратится на
создание и поддержание благоприятных градиентов, а не на фосфорилирование
переносчика, который при ОД не преодолевает потенциальный барьер, так как
транспортирует вещество в соответствии с действием физико-химических градиентов, а не
вопреки им.
39
Цитоз
Существует и другой способ проникновения через клеточные мембраны
макромолекул. Для него характерно образование мембраны вокруг проникающих веществ.
Эта мембрана, покрывающая капли жидкости или скопления плотных веществ, создаётся
за счёт мембранных структур той клетки, через плазмолемму которой осуществляется
такой транспорт. Его называют фагоцитозом, когда в клетку проникают твёрдые частицы,
и пиноцитозом – при прохождении сквозь клеточную мембрану пузырьков с жидким
содержимым. Пузырёк (везикула) имеет липидную оболочку, организованную по типу
бимолекулярного
слоя.
Под
оболочкой
находится
капля
жидкости,
имеющая
микроскопические размеры. В ней растворены различные вещества, в том числе
макромолекулы. Обнаружено движение везикул как в клетку, так и из неё. В первом
случае говорят об эндоцитозе, а во втором – об экзоцитозе (его иногда называют обратным
пиноцитозом).
40
Тема 3. Биоэлектрические явления
Генерация и распространение электрических потенциалов – важнейшее физическое
явление в живых клетках и тканях, лежащее в основе возбудимости, регуляции
внутриклеточных процессов, информационных процессов в нервной системе, мышечного
сокращения и других биологических явлений.
Изучение механизма возникновения клеточных биопотенциалов стало возможным
прежде всего благодаря применению методов клеточной электрофизиологии, в развитии
которых важную роль сыграли:
-
разработка техники микроэлектродных отведений,
-
создание специальных усилителей биопотенциалов, обладающих высоким
входным сопротивлением (до 1010 Ом), малой постоянной времени (от 10 мс) и высокой
чувствительностью (токи от 10–12 А),
-
выбор наглядных объектов исследования, начиная от гигантского аксона
кальмара и гигантских нейронов пресноводных моллюсков и кончая разнообразными
модельными мембранами,
-
использование результатов электрофизиологических опытов в сочетании с
физическим и математическим моделированием транспортных процессов.
Пассивные электрические свойства биотканей
При пропускании постоянного тока через живые клетки и ткани сила тока не
остается постоянной, а сразу же после наложения потенциала начинает непрерывно падать
до тех пор, пока не установится на уровне, который во много раз ниже, чем исходный. Это
связано с тем, что при прохождении постоянного тока через ткань в ней возникает
нарастающая
до
некоторого
предела
ЭДС
противоположного
направления.
С
существованием встречной ЭДС связано невыполнение закона Ома в диапазоне частот от
нуля (постоянный ток) до 1 кГц для биологических тканей и жидкостей. Формула закона
Ома для данного случая:
I (V ЭДС ) .
В связи с этим практически все измерения проводятся на частотах более 1 кГц.
В случае измерений в диапазоне 0 1 кГц используют малые измерительные токи
(10-6–10-8А) и напряжение порядка 10-3 В, а также специальные приемы обработки
поверхности электродов, например платинирование.
41
Практически во всех измерениях определяют сначала измеряемое сопротивление R,
а затем пересчитывают его в удельное электрическое сопротивление ρ с учетом
геометрических размеров электродов – площади электрода S и расстояния между
электродами l.
Удельное электрическое сопротивление.
Таблица 3.1. Зависимость удельного электрического
сопротивления некоторых
тканей человека от частоты (f) при температуре 37 °С
, Ом см, при f, Гц
Ткань
10
20
100
1000
Жир
–
–
–
1500-5000
Легкое
1120
1040
950
Мышцы
965
414
Печень
840
965
Сердечная
мышца
10000
880
830
760
403
395
375
-
800
765
685
-
925
845
600
На рис. 3.1. приведена зависимость R от площади электродов для кожи и от способа
предварительной обработки кожи.
ty R(R,Ом)
3
1
2
2
1
0
3
4
8
12
2
S,см
Рис. 3.1. Зависимость активного сопротивления R кожи от площади электродов S
при частоте 0,1 Гц: 1 - без предварительной обработки кожи; 2- использование
электролита для смачивания прокладок между кожей и электродом; 3 - обработка кожи
наждачной бумагой 00 и смачивание электролитом прокладок.
42
Удельная электропроводность.
Выбор межэлектродного расстояния и площади электродов определяется частотой
измерения,
удельным
электрическим
сопротивлением
и
диэлектрической
проницаемостью.
Диэлектрическая проницаемость (ε) и удельная электропроводность (Λ) некоторых
тканей человека при различной частоте (f).
f, мГц
Кожа
Жир
Мышцы
ε
Λ ,Смм-1
ε
Λ ,Смм-1
ε
Λ ,Смм-1
25
150
0,65
27
0,020
115
0,666
50
100
0,70
125
0,029
90
0,768
100
75
0,75
7,5
0,033
73
0,87
200
57
0,80
6,5
0,050
56
1,0
400
48
0,85
6,0
0,059
53
1,14
700
45
0,95
6,0
0,067
52,5
1,31
1000
44
1,10
6,0
0,100
50,5
1,35
1500
43,5
1,3
6,0
0,1 11
50,0
1,42
3000
42
2,4
6,0
0,167
47,0
2,22
5000
40,5
4,0
5,5
0,222
44,0
4,35
7000
39
5,0
4,95
0,333
42,0
6,67
8500
37
7,0
4,5
0,370
40,0
8,33
Электрическая и поляризационная емкость
В физическом смысле емкость – это идеализированный элемент электрической
цепи, приближенно заменяющий конденсатор, в котором накапливается энергия
электрического поля. Зависимость электрической емкости от частоты для тела человека
показана на рисунке. 3.2.
43
С,мкФ
0,16
0,12
0,08
1
2
0,04
0
-1
0
1
2
tgf(f,кГц)
Рис. 3.2. Зависимость емкости кожи от частоты тока и площади электродов: 1– S =
12 см2; 2 – S= 4 см2 .
Количество электричества, накапливающееся в живых системах, обусловлено не
только статической емкостью. Так как биологические ткани способны поляризировать ток,
то измеряемая емкость клеток и тканей определяется поляризационной емкостью
t
Idt
,
R
(
I
I
)
0
t
0
Cп
где R – сопротивление ткани; I – сила тока; I0 – начальная сила тока; It– конечное
t
значение силы тока, причем Idt q , где q – количество электричества, накапливаемое
0
за время t. Зависимость поляризационной емкости от частоты для тела человека показана
на рисунке. 3.3.
44
g,bC,См
Cn,пФ
160
2
3
1
80
0
2
4
6
8
tgf(f,кГц)
Рис. 3.3. Частотная зависимость удельной электропроводности (l), емкостной
проводимости (2) и поляризационной емкости (3) в системе «электрод – тело человека –
электрод» (данные для варианта наложения электродов на верхние и нижние конечности
при пропускании тока через все тело).
Удельный импеданс
При параллельном соединении резистора и конденсатора электрический импеданс
рассчитывают по формуле: Z
1
1 R 2 2C 2
.
tgZ(Z,кОм)
2
1
3
2
0
-1 0 1
3
2
3
4
5 6
tgf(f,кГц)
Рис. 3.4. Зависимость импеданса Z кожи от частоты и способа обработки кожи
(обозначения те же, что на рис. 3.3.).
45
Таблица 3.2. Удельный импеданс Zy тканей головного мозга при частоте 1 кГц
(униполярный способ)
Ткань
Zу, Омсм
Здоровая ткань больших полушарий
286 ±8
То же на расстоянии 1–2 см от опухоли
284±6
Здоровая ткань мозжечка
385±3
То же на расстоянии I – 2 см от опухоли
382±12
Активные биоэлектрические явления
Потенциал покоя. Потенциал Нернста.
В покое цитоплазма клеток организма проницаема для ионов калия К+ и плохо
проницаема для других ионов. Эволюционно сложилось так, что внутри клетки ионов К+
значительно больше чем снаружи. Именно эти ионы компенсируют заряд отрицательно
заряженных остатков органических молекул, необходимых для функционирования клетки.
Потенциал
регистрируемая
покоя
между
-
стационарная
цитозолем
и
разность
электрических
межклеточной
средой
потенциалов,
(интерстицием)
в
невозбужденном состоянии.
Клеточная мембрана обладает свойством избирательной проницаемости, т.е.
ионы некоторых типов легко проходят сквозь мембрану, в то время как ионы других
сортов проходят с большим трудом или совсем не проходят. Поскольку ионные составы
внутри и вне клетки сильно различаются, имеет место начальное диффузионное движение
ионов, результатом чего является накопление заряда на емкости и как следствие
возникновение электрического поля в мембране. Адекватным выражением для рассчета
интенсивности массопереноса, включая и перенос электрических зарядов, через
биологические мембраны является уравнение Нернста–Планка.
Диффузия возникает из-за наличия у молекул тепловой энергии и происходит в
направлении
уменьшения
концентрации
–
поток
направлен
против
градиента
концентрации (в сторону более низкой концентрации). При наличии как диффузионных
сил, так и сил электрического поля полная плотность ионов данного вида равна
j j d j e . Уравнение Нернста-Планка:
46
ZcF
j D с
RT
где, с – концентрация некоторого вещества как функция пространственных
координат, – напряженность электрического поля, Т -абсолютная температура, F –
число
R
Фарадея,
–
универсальная
газовая
постоянная,
D
–
коэффициент
пропорциональности (постоянная Фика, или коэффициент диффузии).
Система из двух отсеков (см. рис. 3.5.), разделена избирательно проницаемой
мембраной. Предположим, что концентрация некоторого иона Р+ в отсеке I превышает его
концентрацию в отсеке II. Мембрана непроницаема для другого иона Q-. Р+ будет
диффундировать из I в II.
P+
Q+
I
P+
Q-
II
Рис. 3.5. Концентрационный элемент
Диффузия ведет к накоплению положительного заряда в отсеке II. Заряд, благодаря
электростатическим силам, собирается на мембране справа и оставляет в отсеке I избыток
отрицательного заряда (на мембране слева). Это приводит к образованию электрического
поля, направленного от II к I и возрастающего по величине по мере диффузии ионов Р+ из
I в II. Возрастающее электрическое поле препятствует диффузии до тех пор, пока не
наступит равновесие.
При равновесии сила электрического поля (направленная влево) в точности
компенсирует диффузионную силу (направленную вправо).
При комнатной температуре (Т) уравнение: Vm
25 cII
(мВ), называется
ln
Z c I
потенциалом Нернста.
Потенциал Нернста - это потенциал, при котором ион данного типа находится в
равновесии с действующей на него диффузионной силой. Vm представляет собой оценку
47
разности потенциалов между отсеком, концентрация в котором входит в знаменатель, и
отсеком, концентрация в котором входит в числитель, для катионов.
Для живых клеток трансмембранный потенциал принято определять как разность
внутреннего и наружного потенциалов. Реально через мембраны клеток наблюдаются в
основном потоки ионов К+, Na+ и Сl-.
Таблица. 3.3. Содержание ионов К+ ,Na+ ,Cl-,равновесные потенциалы и потенциалы
покоя некоторых клеток
Vm , мВ
Объект
Гигантск
ий аксон
Мышца
лягушки
По формуле
Концентрация, ммоль/л
Нернста
[К]
[Nа]
[Сl]
вн.
нар. вн.
нар. вн.
нар.
Vm, мB,
Экспер
К+ Na+С1-
360 10
70
420 160 500 -90 50 -30 -60
125 2,5
15
125 11
120 -98 60 -87 -94
В таблице приведены значения мембранного потенциала, рассчитанного по
формуле Нернста для различных клеток и для различных ионов, и экспериментально
полученные значения потенциала покоя для этих клеток.
Из
сравнения
рассчитанных
и
экспериментальных
значений
мембранного
потенциала видно, что потенциал покоя ближе к потенциалу, рассчитанному по формуле
Нернста для К+. Причина расхождения экспериментальных и теоретических значений в
том, что не учтена проницаемость мембраны для других ионов.
Доннановское равновесие и потенциал Доннана
Если налить в сосуд с полупроницаемоей перегородкой воды, то в 1 и 2 будет вода.
Доннан добавил в первый отсек соль KCl. По прошествии определенного времени
концентрации различных ионов в двух отсеках стали равны. Доннан взял соль с
органическими ионами, которые не проходят через мембрану. Через некоторое время
ионы K+ и Cl– начинают диффунцировать. Наступает ситуация при которой в первом
отсеке [K+] больше, чем во втором, в первом отсеке [Cl–] меньше, чем во втором.
48
Вывод: анион, не проходящий через мембрану оказывает на распределение анионов
и катионов, свободно проходящих через мембрану между отсеками. Такая же ситуация
наблюдается и в клетках в биосистемах. Установленное Доннаном равновесие
обусловлено несколькими фактами:
1.
Оба отсека по отдельности должны быть электронейтральными, то есть в
каждом отсеке число "+" ионов должно быть равно числу "–" ионов.
2.
Диффундирующие ионы (K+ и Cl–) пересекают мембрану парами, при этом
сохраняется электронейтральность отсеков. Вероятность пересечения мембраны этими
ионами определятется произведением их концентраций [K+]*[Cl–].
3.
В равновесии скорость диффузии KCl в одном направлении равна скорости
диффузии KCl в противоположном направлении. Поэтому [K+]*[Cl–] должно быть
одинаковым для обоих отсеков.
Математическое выражение Доннановского равновесия:
[K+]2/[K+]1=([A–]1+[Cl–]1)/[Cl–]2.
Приведенное выше описание может быть обобщено на случай, когда имеется более
двух сортов ионов, проходящих через мембрану. Таким образом, в системе, состоящей из
проходящих через мембрану ионов К+, Na+ и Сl-, все они будут иметь одинаковый
потенциал Нернста, если:
К I Cl II Na II r
K II Cl I Na I
то, доннановский равновесный трансмембранный потенциал VDm задается
D RT
выражением: Vm
ln r .
F
Уравнение Гольдмана-Ходжкина-Катца
Трудность применения уравнения Нернста – Планка к биологической мембране
(даже в случае одномерного ее описания) состоит в том, что изменения величин С или φ
внутри
мембраны
неизвестны
и
зависят
от
существующих
пространственных
электрических зарядов. Однако поскольку мембрана тонка, в качестве хорошего
приближения можно взять линейный закон изменения φ внутри мембраны.
49
K
Cl
+
-
вне клетки
мембрана
внутри клетки
Na
+
Рис. 3.6. Направление ионных потоков в мембране.
В общем случае биологическая мембрана не может быть в равновесии для всех
ионов. Если вычислить потенциалы Нернста для К, Na, C1 при их обычных
концентрациях, то полученные величины окажутся различными. Таким образом, никакой
трансмембранный потенциал не может одновременно уравновесить все ионы. Условие
покоя может быть охарактеризовано только как стационарное состояние.
RT w RT Pk K I PNa Na I PCl Cl II
Vm
ln
ln
F
y
F Pk K PNa Na PCl Cl
II
II
I
Это уравнение называется уравнением Гольдмана-Ходжкина-Катца применяется
как к невозбудимой, так и к возбудимой мембране, но лишь при условии, что J=0 .
Уравнение Нернста – частный случай уравнения Гольдмана-Ходжкина-Катца.
Мембранный
потенциал,
рассчитанный
по
этому
уравнению,
ближе
к
его
экспериментальным значениям в крупных клетках. И формула Нернста, и уравнение
Гольдмана не учитывают активного транспорта ионов через мембрану, наличия в
мембранах электрогенных (вызывающих разделение зарядов, а следовательно и
возникновение разности потенциалов) ионных насосов, играющих важную роль в
поддержании ионного равновесия в мелких клетках. С учетом работы электрогенных
ионных насосов для мембранного потенциала было получено уравнение Томаса:
Vm
RT mPK K I PNa Na I
ln
F mPK K II PNa Na II
,
где m - отношение количества ионов натрия к количеству ионов калия,
перекачиваемых ионными насосами через мембрану.
50
Чаще всего Na+-К+-АТФаза работает в режиме, когда m = 3/2, m всегда больше 1.
(Нет ионных насосов, перекачивающих С1-, поэтому в уравнении Томаса отсутствуют
члены PCl[Cl-]).
Коэффициент m > 1 усиливает вклад градиента концентрации калия в создание
мембранного потенциала, поэтому мембранный потенциал, рассчитанный по Томасу,
больше по абсолютной величине, чем мембранный потенциал, рассчитанный по
Гольдману, и дает совпадение с экспериментальными значениями для мелких клеток.
Нарушение биоэнергетических процессов в клетке и работы Na+-К+-АТФазы
приводит к уменьшению Vm, в этом случае мембранный потенциал лучше описывается
уравнением Гольдмана.
В создании потенциала покоя роль иона хлора по сравнению с ролью иона калия
представляется второстепенной. Это связано с тем, что внутриклеточная концентрация
хлора очень мала и при малом притоке или оттоке ионов подвергается большим
относительным изменениям хлора.
Потенциал действия
При возбуждении нервных и мышечных клеток между внутриклеточной средой и
межклеточной жидкостью возникает изменение мембранного потенциала, называемое
потенциалом действия (см. рис.). Трансмембранный потенциал действия, показанный на
рис. 3.7., типичен для потенциалов, наблюдаемых в эксперименте на нерве и мышце. Во
всех случаях в покое мембрана имеет отрицательный потенциал в пределах 60–100 мВ.
Процесс активации вызывает внезапное и быстрое увеличение этого потенциала с
изменением полярности до пиковых значений, достигающих 40 мВ.
После активации следует фаза реполяризации, восстанавливающая состояние
покоя. Потенциал, однако, может на некоторое время выйти на гиперполяризованный или
деполяризованный по сравнению с потенциалом покоя. Эти следовые потенциалы,
показанные на рисунке, могут присутствовать или отсутствовать, причем в первом случае
обычно можно наблюдать только один из них.
51
50
50
0
0
5
10
0
0
10
5
0
400 600
-50
-50
а
б
в
Пик
Овершут
+40мВ
Фаза нарастания
Фаза спада
Деполяризационный след
Подножие
-60мВ
Гиперполяризационный след
Рис. 3.7. а, б, в. – виды потенциалов действия, г - терминология, применяемая для
описания потенциала действия и сопровождающих его следовых потенциалов.
Потенциалом действия (ПД) называется электрический импульс, обусловленный
изменением ионной проницаемости мембраны. С ним связано распространение по нервам
и мышцам волны возбуждения.
Опыты по исследованию потенциала действия вначале были проведены на
гигантских
аксонах
кальмара
при
помощи
микроэлектродов
с
использованием
высокоомных измерителей напряжения, а также методом меченых атомов. На рисунке
показаны схема опытов и результаты исследований.
В опытах по исследованию потенциала действия использовали три микроэлектрода,
введенных в аксон. На микроэлектрод Э1 подается импульс с амплитудой V от генератора
Г прямоугольных импульсов, меняющий мембранный потенциал. Мембранный потенциал
измеряется при помощи второго Э2 и третьего Э3 микроэлектродов высокоомным
регистратором напряжения О.
Возбуждающий импульс вызывает лишь на короткое время смещение мембранного
потенциала, который быстро пропадает и восстанавливается потенциал покоя. В том
случае, когда возбуждающий импульс смещается еще дальше в отрицательную сторону,
он сопровождается гиперполяризацией мембраны. Также не формируется потенциал
действия, когда возбуждающий импульс положительный (деполяризующий), но его
52
пор
амплитуда меньше порогового значения Vm . Если амплитуда положительного,
пор
деполяризующего импульса окажется больше значения Vm , Vm становится больше
Vmпор и в мембране развивается процесс, в результате которого происходит резкое
повышение мембранного потенциала и мембранный потенциал Vm даже меняет свой знак
- становится положительным (рис. 3.8., б).
Э1
Э2
Г
Э3
У О
Δх
Н
Э0
а
V1
0
t
V2
0
t
V3
0
Δt
Vm
50
0
пор
Vm
-60
Vm
п
Vm
t
рев
Vm
t
д
Vпор
t
б
Рис. 3.8. Исследование потенциала действия: а - схема опыта; б - потенциал
п
рев
d
действия. ( Vm - потенциал покоя, Vm - потенциал реверсии, Vm
пор
потенциала действия, Vm - пороговый потенциал)
53
- амплитуда
рев
Достигнув некоторого положительного значения Vm - потенциала реверсии,
п
мембранный потенциал возвращается к значению потенциала покоя Vm , совершив нечто
вроде затухающего колебания. В нервных волокнах и скелетных мышцах длительность
потенциала действия около 1 мс (а в сердечной мышце около 300 мс). После снятия
возбуждения еще в течение 1 – 3 мс в мембране наблюдаются некоторые остаточные
явления, во время которых мембрана рефрактерна (невозбудима).
пор
может вызвать образование
Новый деполяризующий потенциал Vm > Vm
нового потенциала действия только после возвращения мембраны в состояние покоя,
d
п
рев
причем амплитуда потенциала действия: Vm = | Vm | + Vm
не зависит от амплитуды
пор
деполяризующего потенциала (если только Vm > Vm ).
Если в покое мембрана поляризована (потенциал цитоплазмы отрицателен по
отношению к внеклеточной среде), то при возбуждении происходит деполяризация
мембраны (потенциал внутри клетки положителен), и после снятия возбуждения
происходит реполяризация мембраны.
Как было указано выше, ответ в возбудимых мембранах не возникает, пока стимул
не достигнет некоторого уровня, называемого пороговым потенциалом. Для всех
надпороговых стимулов, приложенных к клетке, потенциалы действия одинаковы.
Чтобы стимулирующий ток возбудил мембрану, он должен иметь достаточно
большую интенсивность и нужную полярность. Данный стимулирующий импульс должен
также иметь достаточную длительность.
Ответы трансмебранного потенциала на импульсы стимулирующего тока для
аксона краба показаны на следующем рисунке 3.9.
54
Vm
+0,4
С
b
а
0,5
1,0
t,мс
-0,4
Рис. 3.9. Подпороговые ответы, записанные внеклеточно от аксона краба в
окрестности стимулирующих электродов. Аксон был помещен в парафиновое масло, и,
следовательно, измеренный внеклеточный потенциал прямо связан с трансмембранным
потенциалом. Черный прямоугольник указывает период действия стимула, длительность
которого составляла около 50 мкс. По оси ординат отложена шкала напряжений;
максимальная амплитуда потенциала действия принята за единицу.
Здесь за нулевой, или опорный, потенциал принят потенциал покоя. Отмеченная на
рисунке длительность стимулирующего импульса поддерживалась неизменной, в то время
как его амплитуда и знак изменялись.
О стимуле, который заставляет трансмембранный (внутриклеточный минус)
потенциал становиться более отрицательным, чем он был в покое, говорят, что он
гиперполяризует мембрану. При гиперполяризации возбужение не возникает, сколь бы
велик ни был стимул, хотя, как видно на рис. 3.9, пассивный ответ увеличивается с
увеличением силы стимула. С другой стороны, для деполяризующих стимулов с
увеличивающейся амплитудой достигается уровень, при котором возникает ответ С,
показанный на рисунке. На кривой ответа видна нижняя часть вызванного потенциала
действия, что свидетельствует о достижении порогового условия.
Рассмотрение ответов на подпороговые импульсы показывает, что они в принципе
аналогичны тем, которые можно ожидать от пассивной электрической RС-цепочки.
Симметричны ли ответы на стимулы противоположной полярности на рисунке, например,
ответы а и b.
55
0,3
0,2
0,1
-1,0
-0,5
0,5
1,0
-0,1
Рис. 3.10. Связь между стимулом и ответом для аксона краба
В случае деполяризации в ответ на потенциалы, составляющие от 80 до 100%
порога, ответ не является зеркальным отражением ответа на гиперполяризующий стимул
той же амплитуды и длительности, но противоположной полярности.
Таким образом, ответ не строго пассивен. Отсутствие симметрии свидетельствует о
том, что в ответе должна присутствовать нелинейная активная компонента.
Приведенные выше выводы нашли отражение также на данном рисунке, который
базируется на предыдущем, и представляет собой график напряжения, измеренного спустя
0,29 мкс после стимула. Напряжение выражено в долях пиковой амплитуды потенциала
действия и представлено в виде функции от амплитуды стимула.
Отметим, что зависимость линейна для всех гиперполяризующих стимулов, как
можно было бы ожидать при линейной пассивной системе. Линейность наблюдается
также для малых деполяризующих сигналов, следовательно, в этой области система тоже
может описываться пассивной цепью. Для стимулов с большей амплитудой наблюдаемое
поведение становится нелинейным, поэтому она должно рассматриваться как активная.
Уравнение Ходжкина-Хаксли
Структура модели связывает ионные токи с соответствующими движущими
силами. Последние описываются как разности между трансмембранным потенциалом и
потенциалами Нернста для ионов соответствующих типов.
Главным достижением Ходжкина и Хаксли была их схема для оценки удельных
проводимостей gК(t) и gNa(t).
56
gK (t )
IK (t )
( Vm VmK ) ;
g Na ( t )
I Na ( t )
( Vm VmNa )
Поскольку при фиксации потенциала знаменатели в выражениях постоянны, gK (t)~
Iк(t) и gNa(t) ~ INa(t). Результаты серии экспериментов с фиксацией потенциала,
позволяющие определить IK(t) и INa(t) представлены на следующем рисунке в виде
семейства кривых для калиевых и натриевых проводимостей.
Натриевая проводимость
Калиевая проводимость
мВ
мВ
109
88
0
88
63
63
38
38
26
26
2
10ммО/см2
109
4
0
2
4
6
8
Рис. 3.11. Изменения ионных проводимостей, вызываемые деполяризацией с
фиксацией напряжения. Кружки представляют значения, полученные на основе
экспериментальных измерении ионного тока, а кривые проведены в соответствии с
уравнениями. Указанные значения трансмембранного потенциала в милливольтах при
фиксации даны относительно уровня покоя, т.е представляют собой vm
Из представленных рисунков следует, что, во-первых: чем ближе смещается
фиксированный Vm к значению равновесного потенциала, определяемого по уравнению
Нернста для ионов Na+ и К+, тем меньше значение соответствующей проводимости и вовторых, меняется временной ход gк и gNa при изменениях vm.
57
Таким образом, семейство кривых для проводимостей gк и gNa при различных
значениях фиксированных vm экспериментально показывает зависимости проводимостей
(и, соответственно, токов) от vm и времени.
Впоследствии по семейству полученных кривых были построены зависимости
изменения параметров натриевых и калиевых токов в процессе генерации потенциала
действия.
Ходжкин и Хаксли построили математическую модель, соответствующую данным
приведенного выше рисунка.
Таким образом, Ходжкин и Хаксли обосновали ионную теорию возбудимых
мембран и смогли удовлетворительно описать в рамках этой теории изменение ионной
проводимости и процесс генерации потенциала действия нервной клетки.
Энергия раздражения и возбуждения, порог раздражения
Способность возбудимой ткани изменять свои свойства или состояние под
действием раздражителей называют возбудимостью (ε). Её количественной мерой служит
интенсивность порогового раздражителя (Jп), то есть самого слабого стимула, в ответ на
который возникает ПД, а вслед за ним и специфическая реакция. Чем ниже Jп, тем выше
возбудимость. Следовательно, между Jп и ε имеется обратно пропорциональная
зависимость: = 1/Jn.
Реакция возбудимой ткани на раздражитель называется возбуждением. У него
много разнообразных проявлений (изменения в возбуждённой ткани обмена веществ,
температуры,
электрического
импеданса,
рассеяние
света,
флуоресценция,
двулучепреломление, а также развитие специфических реакций – нервной импульсации и
мышечного сокращения), но одним из важнейших является ПД, поскольку он служит
непременным звеном развития любой из специфических реакций.
Под
действием
многих
раздражителей
изменяется
уровень
мембранного
потенциала. Такая реакция невозбудимых мембран связана, как правило, с изменением их
ионной
проницаемости
за
счёт
открывания
или
закрывания
неспецифических
потенциалнезависимых каналов. Между сдвигом мембранного потенциала невозбудимой
мембраны и интенсивностью раздражителя, вызвавшего его, существует линейная
зависимость. Это свойство получило название градуальности. Оно присуще невозбудимой
мембране во всём диапазоне изменений разности потенциалов на ней.
58
Градуальность свойственна и возбудимой мембране, но только в том случае, если
трансмембранная разность потенциалов, изменяясь под действием раздражителя, не
достигает критического мембранного потенциала КМП. Такие раздражители, не
доводящие деполяризацию до КМП, и, следовательно, не вызывающие потенциал
действия ПД, называются подпороговьши для возбудимой ткани. Стимул, вызывающий
сдвиг мембранного потенциала до КМП, считается пороговым, поскольку под действием
его возникает ПД (возбуждение).
V,мВ
60
40
Vинв
20
0
t,c
ПД
-20
-40
ПП
КМП
-60
-90
1
2
3
Рис. 3.12 Генерация потенциала действия при сдвиге мембранного потенциала от
ПП до КМП. По оси абсцисс – время (мс), по оси ординат – разность электрических
потенциалов на возбудимой мембране (мВ).
Раздражитель может иметь разную природу
(механическую, химическую,
электрическую и т. д.), но пороговым он будет тогда, когда сдвинет уровень мембранного
потенциала от ПП до КМП: Vп = │ПП│ – │КМП│. Надпороговые (более сильные)
раздражители возбудимой мембраны тем более вызывают ПД.
Понятно, что градуальность характерна и для отклонений трансмембранной
разности потенциалов (от уровня ПП) в сторону, противоположную деполяризации (в
аксоне кальмара от -85 до -90 мВ и более). Такой сдвиг мембранного потенциала называют
гиперполяризацией. Следовательно, градуальность присуща возбудимой мембране при
любой её гиперполяризации и при подпороговой (до КМП) деполяризации.
59
Рефрактерные периоды, реобаза, хронаксия
Рефрактерность – изменение возбудимости при возбуждении. Выделяют три
основные стадии. Их принято называть фазами (см. рис.3.13).
Рис.3.13. Динамика возбудимости при возбуждении (рефрактерные фазы).
Обозначения: 1 – абсолютно рефрактерная фаза; 2 – относительно рефрактерная фаза; 3 –
фаза экзальтации. По оси абсцисс – время (t); по оси ординат – уровень возбудимости ; 0
–исходный уровень возбудимости.
Развитие возбуждения вначале сопровождается полной утратой возбудимости (ε =
0). Это состояние называют абсолютно рефрактерной фазой (АРФ). Она соответствует
времени деполяризации возбудимой мембраны. В течение АРФ возбудимая мембрана не
может генерировать новый ПД, даже если на неё подействовать сколь угодно сильным
раздражителем (Jп ). Природа АРФ состоит в том, что во время деполяризации все
потенциалзависимые ионные каналы находятся в открытом состоянии, и дополнительные
стимулы не могут вызвать воротный процесс.
АРФ сменяется относительно рефрактерной фазой (ОРФ), в течение которой
возбудимость от нуля возвращается к исходному уровню (ε0). ОРФ совпадает с
реполяризацией возбудимой мембраны. С течением времени во всё большем числе
потенциалзависимых ионных каналов завершаются воротные процессы, с которыми было
связано предшествующее возбуждение, и каналы вновь обретают способность к
следующему переходу из закрытого в открытое состояние под действием очередного
стимула. Во время ОРФ пороги возбуждения постепенно снижаются J n 0 J n и,
следовательно, возбудимость восстанавливается до исходного уровня (0 < ε < ε0).
За ОРФ следует фаза экзальтации (ФЭ), для которой характерна повышенная
возбудимость (ε > ε0). Она, очевидно, связана с изменением свойств сенсора напряжения
во время возбуждения. За счёт перестройки конформации белковых молекул изменяются
60
их дипольные моменты, что приводит к повышению чувствительности сенсора
напряжения к сдвигам мембранного потенциала (КМП приближается к ПП).
Разным возбудимым мембранам присуща неодинаковая продолжительность каждой
фазы рефрактерности. Так, в скелетных мышцах АРФ длится в среднем 2,5 мс, ОРФ –
около 12 мс, ФЭ – приблизительно 2 мс. Миокард отличается гораздо более
продолжительной АРФ: 250 – 300 мс, что обеспечивает четкую ритмичность сердечных
сокращений и является необходимым условием жизни. В типичных кардиомиоцитах ОРФ
длится около 50 мс, а в сумме продолжительность АРФ и ОРФ примерно равна
длительности потенциала действия. Различия в длительности рефракторных фаз
обусловлены неодинаковой инерционностью потенциалзависимых ионных каналов. В тех
мембранах, где возбуждение обеспечивается натриевыми каналами, рефрактерные фазы
наиболее быстротечны и ПД наименее продолжителен (порядка единиц миллисекунд).
Если же за возбуждение ответственны кальциевые каналы (например, в гладких мышцах),
то рефрактерные фазы затягиваются до секунд. В сарколемме кардиомиоцитов
присутствуют и те, и другие каналы, вследствие чего длительность рефрактерных фаз
занимает промежуточное значение (сотни миллисекунд).
I
I
I2
2IП
IП
I1
tхр
tпол
t,мс
tхр
а
t,мс
tпол
б
Рис. 3.14. Кривая “сила–длительность” (а) – семейство точек, образованное
правыми верхними углами пороговых прямоугольных электрических импульсов (б). На
обоих графиках по оси абсцисс – длительности импульсов, по оси ординат –
электрический ток, In – реобаза, tпол – полезное время, tхр – хронксия.
Всем
возбудимым
тканям
свойственна
так
называемая
кривая
“сила
–
длительность” (см. рис. а), представляющая собой гиперболу, аппроксимируемую
61
уравнением: I
a
b, где I и t – амплитуда и длительность порогового импульса
t
электрического тока (их произведение дает qп), а и b – константы:
a
0 и I = b при
t
длительных стимулах (теоретически t , а практически – t – время, в течение которого
развивается аккомодация). Следовательно, b – пороговая амплитуда электрического тока
(Iп), вызывающего возбуждение независимо от продолжительности воздействия. Эту
величину принято называть реобазой. При очень коротких стимулирующих импульсах (t
0) отношение a/t много больше b. Считая b бесконечно малой величиной, можно
привести уравнение к такому виду: I a / t , откуда a = It. Следовательно, а представляет
собой пороговый заряд (qп) при чрезвычайно скоротечном действии электрического
стимула. С учётом сказанного кривая “сила – длительность” может быть описана
выражением: I
qп
Iп.
t
Иногда это соотношение называют функциональной зависимостью тока от
времени, что искажает суть аппроксимируемого процесса. В уравнении аргументами
являются
как
t,
так
и
I.
Функцией
служит
пороговое
возбуждение:
Vпор = f(I,t). Такая форма записи означает параметрическое задание функции, в которой
параметром служит пороговое возбуждение. Его можно вызвать, изменяя I и t
электрического импульса, несущего пороговый заряд. Вся кривая “сила – длительность”
является семейством точек, образованным верхними правыми углами пороговых
импульсов прямоугольной формы (с разными I и t). Если при данных I и t правый верхний
угол импульса точно ложится на кривую, то возникает пороговое (едва заметное)
возбуждение многоклеточной (многоволоконной) структуры (нерва или мышцы). Если
этот угол оказывается ниже и слева от кривой, то ткань таким импульсом не возбуждается,
а если выше и правее её, то возбуждение будет сильнее, чем под влиянием порогового
стимула.
Заметим, что понятие силы возбуждения, бессмысленное по отношению к
отдельной клетке, правомочно применять к органу. В нём разные клетки имеют
неодинаковые пороги возбуждения. По мере нарастания заряда, проходящего через
многоклеточное образование, эффект возбуждения усиливается за счёт вовлечения в него
все большего количества клеток. Так, мышца сокращается всё сильнее по мере того, как
верхний правый угол раздражающего импульса “отходит” от кривой “сила –
62
длительность” кверху и вправо. О пороге в данном случае судят по едва заметному
сокращению целой мышцы (или даже группы мышц), что связано с возбуждением самых
возбудимых её волокон. Если же верхний правый угол стимулирующего импульса
попадает правее кривой “сила – длительность”, то возбуждаются и менее возбудимые
волокна. Следовательно, в отличие от отдельной клетки, орган не подчиняется закону “всё
или ничего”.
Явление аккомодации свидетельствует, что для возникновения возбуждения
необходимо не просто приложить к возбудимой мембране заряд определённой величины,
но и сделать это достаточно быстро.
Распространение потенциала действия
Пассивные электрические свойства клеток, в первую очередь, нервных и
мышечных волокон, определяющие декремент потенциала на них, в биофизике принято
называть кабельными свойствами, поскольку живую клетку, особенно нервное или
мышечное волокно, можно уподобить электрическому кабелю, помещённому в
электропроводящую среду.
Распространение потенциала действия происходит благодаря возникновению
локальных токов между возбужденным и покоящимися участками нервного или
мышечного волокна На рис. 3.15. приведена схема, иллюстрирующая изменения
мембранного потенциала и локальные токи при проведении потенциала действия в
кабельной структуре (направление распространения – справа налево).
Здесь же представлены кривые, характеризующие трансмембранные токи (ток,
входящий в волокно,– отрицателен, а выходящий из волокна – положителен), изменения
мембранного потенциала вдоль волокна и проводимости мембраны для ионов натрия и
калия в определенный момент потенциала действия. Длина участка волокна, где
существует потенциал действия, зависит от скорости проведения.
Таким образом, и являются основными параметрами кабельных свойств
биомембран. Они количественно характеризуют декремент потенциала как во времени,
так и в пространстве (вдоль координаты х). Для уяснения механизмов распространения
возбуждения особенно важное значение имеет λ волокон, обладающих возбудимой
мембраной.
63
Б
А
В
+
Vm
_
gNa
g
gK
0
Выходящий
ток
IC
Ii
Im
Входящий
ток
Наружная
сторона
Мембрана
Внутренняя
сторона
Рис. 3.15. Изменение мембранного потенциала (Vm) и натриевой и калиевой
проводимости мембраны вдоль кабельной структуры во время распространяющегося
потенциала действия, а также токи, текущие через различные участки мембраны. Ii – ток,
текущий по ионным каналам. Ic – емкостный ток, Im – суммарный ток (Im = Ii +Ic). На
нижней диаграмме показаны локальные токи в области возбужденного участка. Потенциал
действия распространяется справа налево (направление его распространения указано
стрелкой).
Штриховые
вертикальные
линии
позволяют
сопоставить
события,
происходящие в точках, где мембранный потенциал достиг нулевого уровня и максимума,
а также в точке, где изменяется направление мембранного тока Im во время нисходящей
фазы потенциала действия.
Между возбуждённым и невозбужденным участками волокна течёт электрический
ток, поскольку внутренняя поверхность первого из них обладает положительным
потенциалом относительно второго и между ними существует разность потенциалов (см.
64
рис. 13.16.а). Токи, возникающие в живых тканях вследствие возбуждения, называются
локальными, так как распространяются на незначительное расстояние от возбуждённого
участка. Их ослабление обусловлено затратами энергии на заряд мембраны и на
преодоление сопротивления цитоплазмы волокна. Локальный ток служит раздражителем
для покоящихся участков, непосредственно прилежащих к месту деполяризации. В них
развивается возбуждение, а значит, и новая деполяризация. Она приводит к установлению
разности потенциалов между вновь деполяризованным и покоящимся (последующим)
участком волокна, вследствие чего возникает локальный ток в следующем микроконтуре.
Следовательно,
распространение
возбуждения
представляет
собой
многократно
повторяющийся и охватывающий соседние участки возбудимой мембраны процесс
ретрансляции ПД и движения локальных токов от деполяризованных к покоящимся
пунктам волокна.
+ + + + + + +
1
+ + + + + + +
+ +
+
2
+ + +
+ + + + + +
1
+ + + + + +
а
_
+
2
+
_
+
_
1
_
+
б
Рис. 3.16. Схема, иллюстрирующая механизм бездекрементного распространения
возбуждения по возбудимым мембранам безмякотного (а) и мякотного (б) нервных
волокон: 1 – невозбуждённые участки; 2 – возбуждённые участки. Стрелками показано
движение локальных токов.
Теория локальных токов подразумевает, что ретрансляция ПД происходит гораздо
медленнее, чем течёт электрический ток. Поэтому скорость распространения возбуждения
тем выше, чем больше расстояние от места возникновения предшествующего ПД, на
котором локальный ток способен возбудить последующий участок возбудимой мембраны.
Идентичное свойство отображает постоянная длины волокна (λ). Она возрастает по мере
понижения сопротивления цитоплазмы и уменьшения ёмкости клеточной мембраны.
65
Следовательно, и скорость проведения возбуждения по нервным и мышечным волокнам
тем выше, чем меньше Ri и См.
Толстые волокна обладают сравнительно низким Ri и, вследствие этого, быстрее
проводят возбуждение. В ходе эволюции некоторые животные приобрели способность к
быстрой передаче нервных импульсов за счёт образования у них толстых аксонов путем
слияния многих мелких в одно крупное. Примером может служить гигантское нервное
волокно кальмара. Его диаметр достигает 1 – 2 мм, тогда как обычные аксоны имеют
толщину порядка 1 – 10 мкм.
Распространение нервного импульса
Эволюция животного мира привела к использованию другого пути повышения
скорости передачи нервной импульсации – уменьшению ёмкости аксолеммы. Так
появились нервные волокна, покрытые миелиновой оболочкой. Они называются
мякотными, или миелиновыми. Миелиновая оболочка образуется в процессе наматывания
на аксон окружающих его шванновских клеток.
Рис.
3.17.
Схема
образования
миелиновой
оболочки
на
аксоне
(а)
и
электронограмма поперечного среза развивающегося мякотного (миелинового) нервного
волокна (б) – препарат Н. С. Косицына. Обозначения: А – аксон (осевой цилиндр), ШК –
цитоплазма шванновской клетки (леммоцита), М – миелиновая оболочка
В центральной нервной системе функцию шванновских клеток выполняет
олигодендроглия. Оболочка представляет собой многомембранную систему, включающую
от нескольких десятков до двух сотен элементарных клеточных мембран, прилегающих
друг к другу, причём внутренний их слой тесно контактирует с аксолеммой. Толщина всей
миелиновой оболочки сравнительно невелика (единицы микрометров), но этого
66
достаточно для значительного понижения ёмкости мембраны, так как миелин служит
превосходным изолятором (удельное сопротивление миелиновой оболочки составляет 500
– 800 МОмсм). Ёмкость мембраны миелинового аксона примерно в 200 раз меньше
ёмкости аксолеммы безмякотного волокна (соответственно 0,05 и 1,0 мкФсм -2).
Диффузия ионов через миелиновую оболочку практически невозможна. Кроме
того, в участках аксона, покрытых ею, отсутствуют потенциалзависимые ионные каналы.
Поэтому в мякотном нервном волокне генерация ПД сосредоточена только там, где
миелиновая оболочка отсутствует. Эти места в мембране миелинового аксона называются
перехватами Ранвье, или активными узлами. От перехвата к перехвату нервные импульсы
проводятся за счёт декрементного распространения электромагнитного поля. Расстояние
(l) между соседними перехватами составляет в среднем 1 мм, но зависит от диаметра (d)
аксона. У гомойотермных животных эта зависимость выражается так: l ~ 100.d. У
пойкилотермных отношение l/d имеет большую величину (200 – 300). Значит, у
теплокровных животных межперехватные участки короче. Перехваты Ранвье занимают
около 0,02% общей длины нервного волокна. Площадь каждого из них приблизительно 20
мкм2.
Время проведения возбуждения между соседними активными узлами составляет 5 –
10% длительности ПД. Поэтому преодоление сравнительно большого пути (порядка 1 мм)
между следующими друг за другом участками ретрансляции потенциала действия с υ ≈ 108
м ּ◌с-1 обеспечивает высокую скорость проведения нервного импульса на протяжении всего
волокна.
Важно отметить, что локальные токи, достаточные для регенерации ПД, могут
протекать даже через 2 – 3 последовательно расположенных перехвата Ранвье. Более
частое, чем необходимо для обеспечения нормального распространения возбуждения,
расположение активных узлов в мякотных аксонах служит повышению надёжности
нервных коммуникаций в организме.
В безмякотных аксонах ретрансляция ПД должна происходить значительно чаще.
Там генераторы ПД распределены вдоль всей длины волокна в непосредственной близости
друг от друга (на расстоянии порядка 1 мкм). Этим обусловлена сравнительно низкая
скорость проведения возбуждения по мембранам мышечных и безмякотных нервных
волокон. В отличие от них, миелиновые аксоны за счёт малой ёмкости межперехватных
участков приобрели высокую скорость передачи нервных импульсов (до 140 мс -1).
67
1
2
~1мм
3
4
Рис. 3.18. Схема нейрона с миелиновым аксоном,
5
иннервирующим мышцу. Обозначения: 1 – тело нейрона;
5
6
6
2 – аксон; 3 – миелиновая оболочка; 4 – перехваты Ранвье;
5 – концевые моторные пластинки; 6 – мышечные
волокна.
Вследствие относительно большой протяжённости участков аксона между
соседними активными узлами проведение нервного импульса в мякотном нервном
волокне происходит скачками и поэтому называется сальтаторным (от латинского слова
saltus – скачок).
Сальтаторное проведение обеспечивает существенную экономию энергии. Так,
потребление кислорода при нём в 200 раз меньше, чем при непрерывном распространении
нервных импульсов по безмякотным аксонам. Разницу между сальтаторным и
непрерывным проведением импульсов иллюстрирует следующий пример: миелиновое
волокно подкожного нерва кошки диаметром 4 мкм проводит возбуждение примерно с
такой же скоростью (25 мс-1), что и безмякотный гигантский аксон кальмара диаметром
около 1 мм. В безмякотных нервных волокнах диаметром 5 – 10 мкм скорость проведения
импульсов не превышает 0,5 – 0,7 мс -1.
Наибольшая скорость распространения возбуждения наблюдается в мякотных
аксонах, диаметр которых составляет 10 – 15 мкм, а толщина миелиновой оболочки
достигает 30 – 50% общего диаметра волокна. Скорость (υ) проведения нервных
импульсов в миелиновых аксонах прямо пропорциональна их диаметру, тогда как в
68
безмякотных – квадратному корню из диаметра. Для непрерывного распространения
возбуждения по безмякотным волокнам справедлива формула:
H
Cм
r i
,
2 Rм
где r – радиус волокна, См – удельная ёмкость мембраны, Rм – удельное
сопротивление мембраны, i – удельная электропроводность цитоплазмы, Н – “фактор
надёжности” (отношение амплитуды ПД к Uп, то есть к разности абсолютных значений
ПП и КМП); в разных волокнах величина Н неодинакова, но не выходит за пределы 2 – 4.
Cинаптическая передача, химический и электрический механизм передачи
информации в синапсах
Функциональный межклеточный контакт, обеспечивающий переход возбуждения
с одной клетки на другую, получил название синапса.
Медиаторная передача (“химический синапс”). Во многих синапсах промежуток
между контактирующими клетками (синаптическая щель) превышает 20 нм. Синапс
передаётся при помощи химических посредников (медиаторов). Гипотеза о химической
синаптической передаче возбуждения с нерва на мышцу предложена А. Ф. Самойловым в
1924 г. Она получила подтверждение в экспериментах, проведенных О. Лёви и Г. Дейлом
на сердце.
Синапс
состоит
из
трёх
основных
частей:
пресинаптической
структуры,
синаптической щели и постсинаптической мембраны. Первая из них является местом
высвобождения
медиатора,
который
непрерывно
медленно
диффундирует
в
синаптическую щель и через неё поступает к постсинаптической мембране. Сквозь
пресинаптическую мембрану медиатор проникает посредством пиноцитоза (экзоцитоза).
Однако медленный поток медиатора к постсинаптической мембране не возбуждает клетку,
которой она принадлежит.
69
6
5
1
2
4
4
3
Рис. 3.19. Схема синапса. Обозначения: 1 – пресинапс; 2 – синаптическая щель; 3 –
субсинаптическая мембрана; 4 – внесинаптические участки постсинаптической мембраны;
5 – гранулированные порции медиатора; 6 – митохондрия.
Темпы выброса медиатора из пресинаптической структуры резко возрастают, когда
сюда приходят нервные импульсы, деполяризирующие пресинаптическую мембрану.
Деполяризация открывает кальциевые каналы в ней, что приводит к поступлению Са2+
внутрь пресинаптической структуры из межклеточного пространства. Избыток Са2+
понижает поверхностный
заряд
мембран,
покрывающих
вакуоли и гранулы с
содержащимся в них медиатором, и тем самым способствует слиянию их с
пресинаптической мембраной. Последняя мгновенно перестраивается, пропуская сквозь
себя порции медиатора, включающие многие тысячи его молекул. Следовательно, нервные
импульсы, поступающие к синапсу, усиливают экзоцитоз медиатора. За несколько
микросекунд он достигает постсинаптической мембраны и начинает взаимодействовать с
тем её участком, который расположен непосредственно в проекции пресинаптической
структуры. Такой участок называют субсинаптической мембраной.
Субсинаптическая мембрана существенно отличается от остальных участков
постсинаптической мембраны, в состав которой она входит. Во-первых, она не обладает
возбудимостью, тогда как остальная часть постсинаптической мембраны возбудима
благодаря
присутствию
потенциалзависимых
ионных
каналов.
Субсинаптическая
мембрана таких каналов не содержит. Зато она имеет химиочувствительные ионные
каналы, которые открываются под действием медиатора. Сенсором медиатора служат
мембранные белки-рецепторы (точнее, гликопротеидные комплексы субсинаптической
мембраны). Между молекулами медиатора и мембранного рецептора существует
стереосоответствие,
обеспечивающее
высокую
селективность
их
взаимодействия.
Существование химиочувствительных ионных каналов – вторая важнейшая особенность
70
субсинаптической мембраны. Третьей её особенностью является присутствие ферментов,
расщепляющих комплекс медиатора с мембранным рецептором или сам медиатор.
При
взаимодействии
медиатора
с
мембранным
рецептором
изменяется
конформация рецепторных молекул и связанных с ними других компонентов
субсинаптической мембраны, включая потенциалнезависимые (химиочувствительные)
ионные каналы. Связь между рецепторами и каналами осуществляют, как правило,
внутриклеточные посредники (вторичные мессенджеры). Если в результате этого
открываются натриевые каналы, то возникает входящий ток катионов, поскольку
[ Na e ] [ Na i ] , и развивается градуальная деполяризация субсинаптической мембраны.
При повышении проницаемости для К+ (при открывании калиевых каналов) мембрана
гиперполяризуется, так как [K i ] [K e ] . В силу невозбудимости субсинаптической
мембраны её де- и гиперполяризационные реакции на медиатор градуальны (их амплитуда
прямо пропорциональна дозе медиатора). Деполяризация при определённых условиях, о
которых будет сказано ниже, обеспечивает передачу возбуждения через синапс.
Гиперполяризация, напротив, затрудняет синаптическую передачу, то есть вызывает
торможение
постсинаптической
деятельности
(проведения
нервных
импульсов,
мышечного сокращения, секреции и т. д.). Поэтому все синапсы с химической передачей
подразделяют на две группы: возбуждающие и тормозные. В первых из них медиатор
вызывает деполяризацию постсинаптической мембраны, во вторых – гиперполяризацию.
При деполяризации субсинаптической мембраны на ней возникает возбуждающий
постсинаптическии потенциал (ВПСП). Он создается за счёт входящего тока Na+ через
потенциалнезависимые натриевые каналы. В некоторых синапсах такие каналы
образованы белками самих мембранных рецепторов. Это показано на примере
холинорецепторов, присутствующих в синапсах, где медиатором служит ацетилхолин.
Адсорбция ацетилхолина на холинорецепторе, приводящая к возникновению их
комплекса, вызывает конформационную перестройку рецепторных молекул, вследствие
чего внутри них открывается пора, через которую диффундируют ионы. В других
синапсах, где рецепторные молекулы не обладают вторичной структурой типа -спирали
(с полостью внутри себя), изменения конформации белков рецепторов, происходящие под
действием медиатора, вызывают механохимический процесс в соседних с рецептором
молекулах, которыми образованы ионные каналы. В передаче сигнала от рецептора к
каналу участвуют внутриклеточные сигнальные системы. Нередко эту роль играет система
71
цАМФ. Так медиатор открывает ионные каналы и обеспечивает ток ионов через
субсинаптическую мембрану.
В
большинстве
синапсов
поток
ионов
сквозь
каналы,
открывшиеся
в
субсинаптической мембране под влиянием медиатора, продолжается в течение 1 мс. За это
время комплекс медиатора с рецептором разрушается специфическим ферментом, что
приводит к закрытию ионных каналов. Ионная проницаемость субсинаптической
мембраны резко падает, входящий ионный ток прекращается, и ВПСП исчезает.
Субсинаптическая
распространяется
с
мембрана
не
может
генерировать
декрементом
на
соседние
с
нею
ПД,
но
ВПСП
возбудимые
участки
постсинаптической мембраны, деполяризуя их. Если ВПСП имеет такую амплитуду, что
даже при декременте доводит уровень ПП возбудимого участка постсинаптической
мембраны до КМП (это происходит когда остаточный потенциал от ВПСП – Vx ≥ Vп =
|ПП| – |КМП|), возникает ПД. Он распространяется без декремента по всей клетке, которой
принадлежит данная постсинаптическая мембрана. В нейроне ПД распространяются по
аксолемме до следующего нейрона, на котором его аксон образует следующий синапс,
чтобы вызвать там новую синаптическую передачу. В мышечном волокне ПД вызывают
сокращение.
Вся последовательность процессов, обеспечивающих синаптическую передачу с
участием медиаторов, занимает большее время по сравнению с проведением возбуждения
по непрерывной возбудимой мембране и через электрический синапс. Это время получило
название синаптической задержки. Она занимает 0,2 – 0,3 мс у млекопитающих и 0,3 – 1,0
мс у пойкилотермных животных.
На субсинаптической мембране тормозных синапсов возникает не ВПСП, а ТПСП –
тормозный постсинаптический потенциал. Он представляет собой зеркальное отражение
ВПСП, то есть гиперполяризацию мембраны. Гиперполяризационный сдвиг мембранного
потенциала распространяется с декрементом на соседние участки постсинаптической
мембраны и понижает их возбудимость (подобно анэлектротону). Такое влияние называют
тормозным, поскольку для возбуждения гиперполяризованной клетки требуется более
сильный стимул, чем при обычной поляризации (исходном уровне ПП), а естественные
(адекватные) раздражители оказываются не в состоянии её возбудить.
72
Рис. 3.20. Цепи событий в возбуждающих и тормозных синапсах можно
представить в виде схемы, в которой М – медиаторы, R – рецепторы субсинаптических
мембран.
Возбуждающий синапс
Тормозный синапс
M1+R1
M2+R2
открытие потенциалнезависимых каналов
открытие потенциалнезависимых каналов для
для катионов, входящих в клетку
катионов, выходящих из клетки (например,
(например, для Na+)
для К+), или для анионов, входящих в клетку
(например, для Сl -)
ВПСП
(деполяризация)
ТПСП
(гиперполяризация)
возбуждение или
повышение возбудимости
торможение
постсинаптической структуры
(понижение возбудимости)
постсинаптической структуры
Рис. 3.20. Цепи событий в возбуждающих и тормозных синапсах
Одни и те же медиаторы в разных субсинаптических мембранах могут вызвать
образование как ВПСП, так и ТПСП, но постсинаптические мембраны определённой
клетки при взаимодействии с данным медиатором дают всегда однозначный эффект –
либо деполяризацию, либо гиперполяризацию. Например, ацетилхолин возбуждает
скелетные мышцы, органы желудочно-кишечного тракта, но тормозит деятельность
миокарда и гладкомышечных элементов стенок кровеносных сосудов.
С одной клеткой могут контактировать пресинаптические структуры, выделяющие
разные медиаторы. Некоторые из них деполяризуют, а другие – гиперполяризуют
плазмолемму одной и той же клетки (например, нейрона). Результирующий эффект
определяется алгебраической суммой сдвигов мембранного потенциала, вызываемых
возбуждающими и тормозными синапсами в том месте нейрона, где генерируется ПД (в
аксонном холмике). Именно такое суммирование имеют в виду, когда называют нервную
клетку интегрирующим устройством. На теле нейрона присутствует несколько тысяч
73
синапсов (например, на клетке Пуркине мозжечка их число превосходит 3108). Среди них
встречаются и возбуждающие, и тормозные синапсы. Суммируя многочисленные ВПСП и
ТПСП, нейрон приходит либо в возбуждённое, либо в тормозное состояние. В первом
случае он проводит нервные импульсы, во втором – останавливает (прерывает) реакции,
протекающие с его участием. Такова основа сложнейших механизмов деятельности мозга.
Нервно-мышечная передача – переход возбуждения с нерва на мышцу, следствием
чего является сокращение, также подчиняется общим закономерностям синаптической
передачи. Синапс между аксоном и мышечным волокном называется моторной концевой
пластинкой. Во всех скелетных мышцах медиатором служит ацетилхолин. Он
сосредоточен внутри синаптических пузырьков диаметром 30 – 60 нм. При деполяризации
пресинаптической мембраны под действием ПД, поступающих сюда из центральной
нервной системы, синаптические пузырьки перемещаются к щели и выходят в неё по
механизму пиноцитоза (экзоцитоза). Достигнув субсинаптической мембраны, ацетилхолин
взаимодействует с её холинорецепторами.
АХ
АХЭ
ХР
ХР
Л
Канал
Рис. 3.21. Схема макромолекулярной организации субсинаптической мембраны
холинэргического синапса – по де Робертису: Обозначения: АХ – ацетилхомин; ХР –
холинорецептор (при взаимодействии с АХ испытывает изменение конформации,
приводящее к образованию в нём ионного канала); АХЭ – ацетилхолинэстереза; Л –
бимолекулярный липидный слой биомембраны
Холинорецептор мембраны мышечного волокна (сарколеммы) выделен, очищен и
охарактеризован биохимически, фармакологически, иммунологически. На каждый 1 мкм2
субсинаптической мембраны приходится около 104 холинорецепторов. Каждый из них
74
образован девятью или десятью белковыми субъединицами и представляет собой круглую
конструкцию наподобие розетки со средним диаметром 8 – 9 нм, длиной 9 – 12 нм,
насквозь пронизывающую субсинаптическую мембрану. Комплексы макромолекул
образуют в этой мембране упорядоченную решётчатую структуру, в которой постоянная
решётки составляет 9 – 10 нм. Около 50% частиц, входящих в состав субсинаптической
мембраны, имеют диаметр 8 – 9 нм (как и холинорецептор), что позволяет
предположительно считать их холинорецепторами.
Действие некоторых ядов на организм человека обусловлено их конкуренцией с
ацетилхолином за холинорецептор. Они связывают холинорецепторы и не позволяют им
образовывать комплексы с ацетилхолином, нарушая тем самым синаптическую передачу
возбуждения с нерва на мышцу. Так действуют кураре и курареподобные препараты,
применяемые в медицине для расслабления скелетных мышц. Эти вещества связывают
холинорецепторы временно, благодаря чему вызывают обратимый эффект, что позволяет
использовать их в качестве фармакологических агентов. Существуют конкуренты
ацетилхолина, связывающие холинорецепторы необратимо. Таков -бунгаротоксин
(полипептид с молекулярной массой 8 кДа, содержащийся в змеином яде, выделенном от
тайваньского ленточного крайта). Он относится к группе сильнейших ядов, ничтожные
дозы которых смертельны.
Ацетилхолин поступает в синаптическую щель моторной концевой пластинки даже
в отсутствие нервных импульсов на пресинаптической мембране, но при этом его
концентрация около холинорецепторов не повышается более 10-18 мольл-1. Комплекс
медиатора
с
мембранным
рецептором
образуется,
вследствие
чего
возникают
миниатюрные потенциалы концевой пластинки, но они имеют амплитуду около 0,4 мВ и
быстро угасают. Мышца не реагирует на них сократительной реакцией. Поступление
нервных импульсов к синапсу меняет дело: ацетилхолин начинает выходить в
синаптическую щель гораздо интенсивнее и частота выделения порций медиатора
повышается в тысячу раз. Каждый нервный импульс вызывает выброс нескольких
миллионов молекул ацетилхолина, причём не по отдельности, а в виде “пакетов”,
включающих много его молекул, которые заключены в одной везикуле (пузырьке). Для
возбуждения мышечного волокна достаточно 10-15 – 10-16 моль ּ◌л-1 ацетилхолина.
Взаимодействие ацетилхолина с холинорецептором вызывает деполяризацию
субсинаптической мембраны. Освобождение содержимого одного ацетилхолинового
пузырька обусловливает открытие двух тысяч ионных каналов в ней. Через каждый канал
75
за время его существования в открытом состоянии (3 с) внутрь мышечного волокна
1,2104
проникает
ионов
натрия.
С
натриевым
током
связана
деполяризация
субсинаптической мембраны, называемая потенциалом концевой пластинки (ПКП). Он
аналогичен описанному выше ВПСП и возникает примерно через 1 мс от начала
интенсивного выброса ацетилхолина пресинаптической мембраной. ПКП градуален – его
амплитуда зависит от темпа поступления медиатора к холинорецепторам.
По субсинаптической мембране ПКП распространяется с декрементом, но даже в
нескольких миллиметрах от места своего возникновения он способен вызвать
возбуждение возбудимого участка постсинаптическои мембраны мышечного волокна. Там
возникают потенциалы действия, распространяющиеся по сарколемме и обеспечивающие
начало сократительного процесса.
ПКП существует до тех пор, пока не будет полностью гидролизован ацетилхолин в
субсинаптической мембране. Для его инактивации там присутствует специальный
фермент
–
ацетилхолинэстераза.
Без
неё
невозможна
нормальная
мышечная
деятельность. В естественных условиях к мышечному волокну поступают не отдельные
нервные импульсы, а серии их, причём оно должно реагировать на каждый импульс в
серии. Однако сарколемма, деполяризованная предыдущей порцией ацетилхолина,
становится
нечувствительной
к следующей порции.
Чтобы
нервные
импульсы,
поступающие чередой к мышце из мозга, могли осуществлять возбуждающее действие,
необходимо удалить предшествующую порцию ацетилхолина к моменту прихода каждого
следующего импульса. Это делает ацетилхолинэстераза. При угнетении её активности
синаптическая передача, осуществляемая с участием ацетилхолина, резко нарушается.
Ингибиторами этого фермента служат фосфорорганические соединения (ФОС) (некоторые
из них относятся к боевым отравляющим веществам – табун, зарин, зоман и другие).
Важно отметить, что они прежде всего парализуют нервную деятельность, так как
холинергическая передача (синаптическая передача с участием ацетилхолина в качестве
медиатора) свойственна не только моторной концевой пластинке, но и многим синапсам в
центральной и вегетативной нервной системе.
Цепь событий, происходящих в мышце при поступлении к ней управляющего
сигнала (нервных импульсов) из мозга, можно представить в виде схемы: нервный
импульс деполяризация пресинаптической мембраны открытие в ней кальциевых
каналов ускорение экзоцитоза ацетилхолина из пресинаптической структуры
взаимодействие его с холинорецептором субсинаптической мембраны открытие
76
потенциалнезависимых ионных каналов повышение проницаемости субсинаптической
мембраны для ионов возникновение ПКП его электротоническое распространение (с
декрементом) по субсинаптической мембране деполяризация внесинаптических
участков сарколеммы открытие в ней потенциалзависимых ионных каналов
генерация ПД (мышечного импульса) распространение мышечного импульса по
сарколемме активация сократительных элементов (миофибрилл) мышечное
сокращение.
77
Тема 4. Теплообразование в организме животных
Теплообразование у теплокровных животных
Известно, что в организме человека и многих животных поддерживается
постоянная температура тела, не изменяющаяся при довольно резких изменениях внешних
условий. Это постоянство температуры обеспечивает необходимую скорость обменных
процессов и позволяет животному существовать в неблагоприятных условиях внешней
среды. Теплообразование зависит от внешней температуры, вида животного (табл. 2),
размеров, возраста, пола, питания, активности желез внутренней секреции, степени
акклиматизации и других факторов.
Тепловое поле в организме имеет сложную конфигурацию и медленно меняется во
времени.
Таблица 4.1. Места теплообразования для человека в процентном соотношении
При средней мышечной
Система органов
В состоянии покоя
Скелетные мышцы
20%
75%
10%
10%
Органы брюшной полости
50%
10%
Нервная система и головной мозг
20%
5%
Органы
дыхания
кровообращения
и
нагрузке
Таблица 4.2. Температура различных тканей теплокровных животных
Орган
Температура (C)
Голубь
Теленок
Печень
41,0
37,6
Желудок
-----
37,5
Поджелудочная железа
40,5
-----
Почки
41,0
37,3
Сердце
40,0
37,2
Легкие
40,4
36,7
Головной мозг
39,0
-----
78
Места измерения температуры ядра тела
1. Подмышечная впадина – t оболочки.
2. Ротовая полость – непосредственно t ядра (испарение).
3. Прямая кишка (ректально).
4. Влагалище.
5. Свежая моча (наилучший способ).
Условия передачи тепла из организма в окружающую среду
Основной переносчик тепла – кровь. Передача тепла внутри организма
осуществляется, в первую очередь, путем конвекции, обеспечиваемой кровообращением,
так как теплопроводность тканей организма весьма мала (см. табл.). В окружающую среду
тепло передается за счет теплопроводности (в наименьшей степени), излучения (примерно
60% удаляемого тепла), испарения (до 25% теплоотвода) или конвекции (до 15%).
Рассмотрим более подробна названные выше механизмы отвода тепла из организма
в окружающую среду.
Теплопроводность
Q = -K(T/x)St
где: T/x – градиент температур, S – площадь соприкосновения поверхностей, t
– временной интервал, K – коэффициент теплопроводности, определяющий количество
тепла, передаваемую через площадку в 1 м2 в единицу времени на расстояние в 1 м при
разности температур в 1С.
Излучен
Испаре
Конвек
Теплопроводно
Волосяной покров
Эпидермис
Дерма
Кровообраще
Жировая ткань
Скелетные мышцы
Ядро тела
Рис. 4.1. Условия передачи тепла из организма в окружающую среду
79
Таблица 4.3. Коэффициенты теплопроводности различных тканей организма
Коэффициент
теплопроводности
Ткань
К
{ккал/(мс)}
Кожа (слабый кровоток)
0,075
Кожа (сильный кровоток)
0,35
Мышцы (нет кровотока)
0,11
Мышцы
(нормальный
кровоток)
0,127
Мышцы (сильный кровоток)
0,15
Воздух
0,0056
Серебро
100,0
Излучение
Q = (T14 – T24)
где: - постоянная излучения, T1 – температура организма (K), T2 – температура
окружающей среды (K), - коэффициент пропорциональности, учитывающий отличие
свойств поверхности организма от свойств абсолютно черного тела (а.ч.т.=0). Для
видимого спектра излучения (400-700 нм) белого человека=0,55 – 0,7; черного человека=0,8 – 0,85.
Если учесть, что температура тела человека составляет 37С, то тепловое излучение
возникает в ближней инфракрасной области. Как излучатель тело человека соответствует
абсолюно черному телу, нагретому до 300С.
Испарение
Q = (P1 – P2)
где: P1 – давление паров воды на поверхности кожи, P2 – давление паров воды в
окружающем воздухе, - коэффициент испарения.
Коэффициент испарения зависит от давления воздуха, скорости его движения и
кривизны верхней поверхности тела.
При отрицательных факторах внешней среды, например при значительных
отрицательных температурах (человек способен существовать при -50С), процесс
теплопередачи происходит только путем испарения.
80
Конвекция
Q = (T1 – T2)Vвозд0.5
где: T1 – температура тела, T2 – температура воздуха, Vвозд – скорость движения
воздуха, - коэффициент пропорциональности, зависящий от скорости движения воздуха,
кривизны поверхности тела и давления.
Регулирование температуры
Имеется много регулирующих воздействий, оказывающих влияние на температуру
тела (см. рис.). Так, теплопродукция определяется процессами окисления в мышцах и
внутренних органах, а на теплоотдачу влияет изменение величины поверхности тела за
счет сосудов кожи, дыхание, управляемое с помощью системы дыхания, потоотделение
через
потовые
железы,
изменение
интенсивности
кровотока.
Минимальная
теплопродукция человека составляет 1600-1800 ккал/сутки. Она может увеличиваться во
много раз (до 14000 ккал) в результате интенсивной мышечной деятельности.
В организме имеется несколько измерительных элементов. Один из них находится
в гипоталамусе и омывается кровью из внутренних областей тела – мозговой центр
терморегуляции.
В
нем
находятся
нервные
образования
-
терморецепторы,
расположенные по соседству с центрами терморегуляции. Нагревание их выше нормы
приводит к усилению процессов теплоотдачи, повышению интенсивности кровотока и
уменьшению теплопродукции. Сравнивающее и измерительное устройства объединены в
одно целое, поэтому центры терморегуляции выдают сигнал тогда, когда температура
внутренней среды отклонилась от нормы. Норма определяется системой более высокого
уровня в иерархической структуре управления организмом в виде целевой функции для
системы терморегуляции.
Сигналы
управления
подсистемами,
регулирующими
теплоотдачу
(органы
дыхания, потовые железы, сосуды кожи и т. д.), передаются через систему двигательных
нервов и вегетативную нервную систему. Они вызывают расширение или сужение
кожных сосудов, регулируют потоотделение и тонус мышц.
Другой тип термочувствительных элементов - терморецепторы (холодовые и
тепловые), расположенные на наружном кожном покрове и связанные с центром
терморегуляции. Они реагируют как на абсолютное значение и знак внешней
температуры так и на скорость ее изменения. Благодаря этому механизмы регуляции
приводятся в действие уже через несколько секунд после начала воздействия
81
температурного возмущения, пока оно не достигает "сердцевины" организма. При
быстрых температурных возмущениях возможна интенсивная регуляция.
Структуру системы терморегуляции можно отобразить в виде, аналогичном общей
структуре функциональной системы. В качестве конечного полезного эффекта выступает
температура внутренней среды организма. Из рисунка видно, что эффекторные
воздействия
осуществляют
подсистемы,
включенные
одновременно
в
другие
функциональные системы организма: систему двигательных нервов, системы дыхания,
кровообращения и т. д. Следовательно, эффективность функционирования системы
терморегуляции зависит от эффективности функционирования других систем.
Можно отметить, что при сильных воздействиях на организм, эффект зависимости
функционирования системы терморегуляции ох других систем может проявляться в виде
доминирующих и конкурентных отношений. Например, интенсивная физическая работа и
жаркая погода могут вызвать резкое падение артериального давления (коллапс).
Известны также явления перенастройки заданной величины температуры тела в течение
суток с 36,5°С в ранние утренние часы до 37,5°С в поздние вечерние, нарушение качества
терморегуляции путем прямого воздействия на центральную нервную систему
(самогипноз, алкоголь) и т. д. Все эти явления характеризуют сложность и
неоднозначность алгоритмов управления в живых системах.
82
Тема 5. Мышечное сокращение
Структура мышцы и мышечных белков
Актин-миозионовая система образована актиновыми и миозиновыми нитями.
Актиновые нити образуются при полимеризации молекул глобулярного белка актина (Gактина). Его полипептидная цепь (первичная структура) включает 374 аминокислотных
остатка. Молекулярная масса – 41,8 кДа. Третичная структура представляет собой глобулу
с бугристой поверхностью, изрезанной щелями, самая глубокая из которых пролегает в
середине молекулы и содержит активные центры связывания АТФ и АДФ, а также Cа2+ и
Mg2+. Кроме того, на молекуле G-актина есть сайты связывания тропомиозина, тропонина,
головки миозина (об этих белках пойдет речь ниже), а также соседних молекул G-актина.
Благодаря активным центрам связывания G-актина на G-актине глобулы
объединяются в фибриллы, образуя F-актин. Контакты между соседними мономерами Gактина обеспечиваются гидрофобными и электростатическими взаимодействиями.
Фибриллы F-актина объединяются попарно (наподобие пары перекрученных ниток бус), и
таким образом формируется актиновый микрофиламент длиной до 1 мкм и диаметром
(толщиной) около 6 – 8 нм. Шаг спирали F-актина составляет 77 нм и на его протяжении
содержится примерно 14 пар молекул G-актина.
Каждая из молекул миозинов, осуществляющих сокращение миоцитов, образована
четырьмя полипептидными цепями, две из которых (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 образует вторичную
структуру
типа
-спирали.
Спирали
обеих
цепей
скручены
в
двухнитчатую
(левозакрученную) суперспираль с шагом в 7,5 нм (рис. 5.1.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 образовать подвижные
“стебельки”, на вершинах которых тяжёлые полипептидные цепи сплетаются с
дополнительными (лёгкими) цепями и формируют глобулярные молекулярные структуры,
которые как поникшие головки выступают на поверхности. За счёт них общая длина
миозиновой молекулы достигает 155 нм. Молекула напоминает двойной цветок на
длинной ножке. Соединение между головкой и стержнем молекулы подобно шарниру, что
83
позволяет “цветам” наклоняться в той или иной степени. Важно заметить, что головки
миозина обладают АТФазной активностью, то есть активируют гидролиз АТФ.
Рис. 5.1. 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 (77 нм)
Миозиновые молекулы самопроизвольно собираются в пучок. При таком
объединении стержни нескольких сотен молекул, располагаясь параллельно друг другу с
некоторым
сдвигом
по
длине
(относительно
расположения
головок),
образуют
своеобразный ствол толщиной 11 – 14 нм, из которого в верхней его части выступают
головки (рис. 5.2, б). Важно знать, что эта надмолекулярная структура биполярна,
поскольку в её середине соединяются (конец в конец) два “ствола” при том, что “кроны”
обращены в противоположные стороны. 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 разных клетках от 2,5 до 15
мкм.
84
Рис. 5.2. Миозиновые нити: а – 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)
В миозинах, которые обеспечивают внутриклеточный транспорт органоидов
(митохондрий, лизосом и др.), “хвосты” короткие. Ими миозиновые молекулы
присоединяются к мембранам органоидов и, скользя затем по актиновым нитям,
перемещают их в различные участки клетки. В таком варианте могут работать даже
отдельные молекулы миозина или тонкие пучки, образованные их малым количеством.
Характерной особенностью актин-миозиновой системы миоцита
(мышечного
волокна) является строго параллельное расположение актиновых и миозиновых нитей
(рис. 5.3), 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.
85
Рис.
5.3.
Схематическое
изображение
миофибриллы
в
миоците
поперечнополосатых мышц
Его длина достигает в разных мышцах от 5 до 100 мм, а диаметр значительно
уступает длине, составляя от 10 до 100 мкм. Преобладание длины над толщиной в такой
веретенообразной клетке позволяет называть её волокном. Вместе с тем следует отметить,
что мышечное волокно образуется путем слияния множества отдельных клеток. Поэтому в
миоците (весьма крупной клетке) содержится несколько ядер.
Благодаря упорядоченности молекулярной структуры миоцита границы саркомеров
в соседних миофибриллах совпадают, следствием 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. Анизотропные диски
обладают двойным лучепреломлением: в обычном свете выглядят тёмными, а в
86
поляризованном – прозрачными (светлыми) в продольном и непрозрачными (тёмными) в
поперечном направлениях. Изотропным дискам не свойственно двойное лучепреломление.
Затемнение в центре I-диска (I-полосы) обусловлено контактами между соседними
саркомерами. Эта тёмная полоска толщиной 80 – 160 нм называется Z-линией (или Z-
диском). Она служит границей между соседними саркомерами в миофибрилле. Под
электронным микроскопом в 1953 г. увидели, что каждый саркомер состоит из тонких
(актиновых) и толстых (миозиновых) филаментов. Они называются протофибриллами,
число которых в среднем составляет 2500 в одной миофибрилле. Протофибриллы
расположенны параллельно друг другу, причём I-диск соответствует тому участку
саркомера, где присутствуют только актиновые нити.
В А-диске актиновые нити перекрываются миозиновыми. В центре А-диска
наблюдается светлый участок (полоска Н), в котором присутствуют только миозиновые
нити. Следовательно, анизотропия обусловлена совместным присутствием и миозиновых,
и актиновых филаментов. На поперечном срезе саркомера нити образуют регулярную
гексагональную систему, в которой каждая миозиновая протофибрилла взаимодействует с
шестью актиновыми, а каждая актиновая – с тремя миозиновыми.
Взаимодействие между тонкими и толстыми филаментами осуществляется
посредством так называемых поперечных мостиков, образованных головками миозиновых
молекул. Они расположены по отношению к продольной оси миозиновой нити под углом
120. Расстояние между соседними миозиновыми мостиками, лежащими на одной оси,
составляет 43 нм. Поперечный мостик работает как химиомеханический преобразователь.
Стоит ещё раз заметить, что в миоците актиновые и миозиновые филаменты лежат
строго параллельно друг другу. Промежутки межу ними составляют примерно 13 нм. В
них-то и выступают головки миозиновых молекул – поперечные мостики, которые
подобно миниатюрным веслам могут совершать гребковые движения, перемещая тонкие
нити относительно толстых. Для того, чтобы это произошло, головка миозина должна
вступить во взаимодействие с активным центром на актиновой нити. В расслабленной
мышце он прикрыт (“зачехлён”) молекулой тропомиозина. Она имеет двухнитчатую
структуру, образованную двумя субъединицами с молекулярными массами 34 и 36 кДа.
Молекула длиной 41 нм скручена с шагом 7 нм и занимает спиральный желобок между
двумя нитями F-актина, где расположены активные центры, с которыми должны вступить
во взаимодействие миозиновые головки, чтобы произошло сокращение мышцы.
87
Рис. 5.4. Схема строения саркомера при продольном (1) и поперечном (2) срезах в
зоне перекрывания актиновых (А) и миозиновых (М) нитей
Рис. 5.5. Двухнитчатая (две идентичные полипептидные цепи) суперспираль
тропомиозина
Рис. 5.6. Расположение тропомиозина в желобке актинового микрофиламента
Кроме актина, миозина и тропомиозина, миоциты поперечнополосатых мышц
содержат важный регуляторный белок тропонин, который связан с актиновым
филаментом и с тропомиозиновой нитью.
Три субъединицы тропанина имеют в сумме молекуляр ную массу 76 кДа. Одна из
субъединиц способна связываться с 4 ионами Са2+. Когда такое взаимодействие
происходит, тропонин воздействует на тропомиозин, и тот освобождает на актиновом
филаменте активный центр для миозина. Тем самым устраняется препятствие их
взаимодействию.
88
Рис. 5.7. Гипотетическая структура тропонина: а – в отсутствие Са+; б – в
присутствии Са+
Рис.
5.8.
Сдвоенный
актиновый
микрофиламент,
укомплектованный
тропомиозином и тропонином: в отсутствие ионов кальция (А), в присутствии ионов
кальция (Б)
89
Механизм мышечного сокращения
Благодаря снятию ионами кальция тропомиозиновой блокады активных центров Fактина с ними взаимодействуют миозиновые головки – они совершают гребковые
движения к центру саркомера. Головка временно прикрепляется к актиновой нити и
наклоняется
на своем стебельке, смещая миозиновую нить вдоль актиновой (как
локомотив тянет железнодорожный состав по рельсам) на один шаг (примерно на 10 нм).
Вместе с тем актин активирует способность миозина в качестве АТФазы гидролизовать
АТФ. При взаимодействии с актином каждая миозиновая молекула ежесекундно
гидролизует до 10 молекул АТФ. Следовательно, головки молекул миозина обеспечивают
как связывание толстых нитей с тонкими, так и гидролиз АТФ. В конце гребка
миозиновой головки по актиновой нити к молекуле миозина присоединяется новая
молекула АТФ, что приводит к отделению головки от актина. При последующем
гидролизе АТФ происходит восстановление исходной конформации миозиновой
молекулы, благодаря чему её головка может снова присоединиться к актиновой нити, но
уже ближе к центру саркомера, чем при предыдущем взаимодействии с ней.
В каждом толстом филаменте содержится около 500 миозиновых головок. Каждая
из них при быстром сокращении мышцы совершает примерно 5 циклических гребков
(смыканий и размыканий поперечных мостиков) в 1 секунду. Естественно, что не все
мостики работают одномоментно: одни замыкаются на актиновых нитях, другие в этот
миг отделены от них. По расчетам М. В. Волькенштейна, каждый миозиновый мостик
должен создавать усилие порядка 510-12 Н. Такая сила в пересчёте на единицу площади и
с учетом всех миозиновых мостиков, приходящихся на бицепс человека, даёт напряжение,
равное 2105 Па, что близко совпадает с фактическим значением напряжения этой мышцы
(1,8105 Па).
90
а
б
Рис. 5.9. Механизм скольжения – продольного перемещения микрофилментов
относительно центральной миозиновой нити: а – положение головок миозина при низкой
концентрации Са+ в миоплазме, б – положение головок миозина (сгибание в шарнирном
соединении головок с двунитчатым стеблем миозиновой молекулы) при повышении
содержания Са+ в миоплазме. Стрелками указано направление перемещения актиновых
нитей.
Однократное прикрепление миозиновой головки к актиновому филаменту
укорачивает саркомер на 1% его первоначальной длины и развивает силу в 3 – 5
пиконьютонов
с
КПД
примерно
20%.
При
многократном
актин-миозиновом
взаимодействии, что и происходит в естественном мышечном сокращении, каждый
саркомер укорачивается пропорционально укорочению всей мышцы. Сокращение мышцы
не приводит к изменению собственной длины ни толстых, ни тонких нитей. Сохраняя свои
размеры и характер упаковки образующих их субъединиц, они скользят друг относительно
друга. Теория скользящих нитей, сформулированная в 1954 г. А. Хаксли и Г. Хаксли,
подтверждена многими экспериментами. Иногда её формулируют как теорию лазания или
теорию гребков, но принципиально существо современных представлений о механизме
мышечного сокращения не изменилось за истекшие полвека: максимальная сила
сокращения мышцы пропорциональна степени взаимного перекрытия толстых и тонких
нитей. При уменьшении длины саркомера укорачивается только I-диск, тогда как А-диск
не изменяет своих размеров.
91
Рис. 5.10. Перемещение актиновых нитей относительно окружённой ими
миозиновой нити: а – расслабление; б – сокращение
Для
максимального
сокращения
саркомера
миозиновые
мостики
должны
совершить примерно 50 гребков. Дискретность процесса скольжения обеспечивает
дозирование
степени сокращения.
замкнутых поперечных мостиков,
Оно
определяется
количеством
одновременно
тогда как его скорость зависит от частоты их
замыкания (от числа замыкаемых мостиков в единицу времени). Скорость укорочения
миоцитов скелетных мышц составляет 10 – 20 мкмс-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 напряжения. Обычно при естественном
расслаблении мышцы длина саркомера составляет около 2,5 мкм. Мышца развивает
максимальную силу, когда саркомер укорачивается до 2,0 – 2,2 мкм. Однако его длина
может уменьшаться и до 1,5 – 1,6 мкм. В таком случае напряжение мышцы ослабевает,
поскольку концы миозиновых филаментов упираются в Z-полоску (актин-дисминовую
сеть), что приводит к нарушению правильной ориентации миозиновых мостиков
относительно актиновых филаментов и ослаблению тянущего усилия.
Источником энергии, необходимой для мышечной деятельности, служат реакции
окисления субстратов клеточного дыхания, в ходе которых образуются макроэрги (АТФ).
Для
мышечного
сокращения
необходим
гидролиз
АТФ.
КПД
сократительной
деятельности мышц примерно 20%. Таким образом, в работающей мышце пятая часть
химической энергии преобразуется в механическую, а 80% выделяется в виде тепла.
Энергетические процессы в мышцах неодинаковы при одномоментном (кратковременном)
усилии и при длительной работе. Кратковременное мышечное сокращение происходит за
92
счёт запасов АТФ в волокне, тогда как продолжительная мышечная деятельность требует
пополнения АТФ при помощи интенсификации окислительного фосфорилирования в
процессе совершения этой работы. Субстраты клеточного дыхания и кислород поступают
в мышечное волокно 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, то есть работать с высокой мощностью) требуется увеличение
числа миозиновых мостиков, 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 волокне. Сами миоциты дифференцированы и не способны к
делению. При нагрузке развивается их гипертрофия, а не гиперплазия.
Как
следует
из
сказанного,
для
обеспечения
молекулярного
механизма
взаимодействия актиновых и миозиновых нитей необходимы как макроэрги, так и ионы
кальция.
Именно
Са2+
является
важнейшим
компонентом
электромеханического
сопряжения (рис. 5.11).
Миофибриллы начинают сокращаться, когда вокруг них в цитозоле концентрация
свободных ионов кальция станет равна (0,4 – 1,5)10-6 моль. Максимальное сокращение
мышечного волокна происходит при её повышении до 510-6 моль. Между тем, в покое
концентрация Са2+ в цитозоле мышечного волокна не превышает 10-7 моль. Для
возникновения сокращения скелетной мышцы ионы кальция должны поступить к
миофибриллам из саркоплазматической сети (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 сарколеммы. СПС служит кальциевым
депо в мышечном волокне – содержание в ней ионов кальция достигает 10-2 моль.
Следовательно, на мембране СПС поддерживается колоссальный градиент Са2+, но в
покое она совершенно непроницаема для этого иона.
СПС расположена поблизости от миофибрилл, причём в электромеханическом
сопряжении важнейшую роль играют её цистерны, примыкающие к диску Z. Здесь же
находятся впячивания сарколеммы внутрь волокна, имеющие форму трубочек диаметром
около 50 нм. Они образуются за счёт того, что сарколемма во многих местах “ныряет”
вглубь и заканчивается в саркоплазме слепыми концами наподобие пальцев вывернутой
93
перчатки. Такой мешочек (трубочка) идёт поперек волокна, достигая в длину более 10
мкм. В мышечном волокне диаметром 80 мкм, имеющим форму цилиндра, мембраны этих
трубочек образуют поверхность, суммарная площадь которой в 2,5 раза превосходит
поверхность плазмолеммы миоцита. В зоне Z-диска каждая трубочка вместе с двумя
соседними цистернами СПС образует так называемую Т-систему. Они окружают каждую
миофибриллу. Т-система с миофибриллой служат основным звеном в электромеханичеком
сопряжении.
Рис. 5.11. 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 сакроплазматической сети;
стрелки – пассивный транспорт Са2+ по каналам; стрелки с кружком – активный
транспорт кальциевой помпой; А – анизотропные диски; I – изотропные диски; СЛ –
сарколемма; Z – Z-диск; числами обозначены концентрации ионов кальция (моль)
94
Сигналом к сокращению скелетной мышцы являются нервные импульсы,
поступающие из спинного или головного мозга к концевой моторной пластинке (нервномышечному синапсу). Далее следует синаптическая передача с участием ацетилхолина и
холинорецепторов. Потенциалы действия, образовавшиеся на внесинаптических участках
сарколеммы под действием потенциала концевой пластинки,
распространяются
бездекрементно по всей плазматической мембране мышечного волокна, проникая и в Тсистему (по мембране трубочки). С трубочки деполяризация распространяется на
мембрану 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 достаточная 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 снизится до 10-7 моль. Для этого Са2+ должен возвратиться в СПС,
но
такой
транспорт
приходится
осуществлять
вопреки
действию
огромного
концентрационного градиента. Следовательно, расслабление миофибрилл в миоците
скелетных мышц после их сокращения невозможно без участия системы активного
транспорта – кальциевой помпы. Её работа – неотъемлемый элемент сократительного
процесса в мышце. Из мембраны СПС выделена Са-активируемая АТФаза, которая служит
основным компонентом кальциевого насоса. Таким образом, электромеханическое
сопряжение включает цепь последовательно идущих процессов: распространение ПД по
сарколемме деполяризация мембран трубочек Т-системы открытие кальциевых
каналов в мембране СПС выход Са2+ из цистерн СПС в цитозоль мышечного волокна
замыкание миозиновых мостиков. Расслабление мышцы связано с реполяризацией
сарколеммы и последующей активизацией работы кальциевого насоса, локализованного в
мембране СПС.
Биомеханические свойства скелетных мышц
Одиночное мышечное волокно при сокращении развивает силу порядка 210-3 Н. В
мышцах человека содержится примерно 3107 волокон. Если бы все они сократились
одновременно и в одном направлении, то смогли бы создать колоссальное усилие – до
6104 Н.
95
Сила мышцы зависит от количества содержащихся в ней волокон. 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
которым понимают сумму поперечных сечений всех волокон, образующих данную
мышцу. В мышце, все волокна которой идут параллельно продольной оси и своими
концами
прикрепляются
к
костям
(непосредственно
или
через
сухожилия),
геометрическое и физиологическое сечения совпадают. Такие мышцы при сокращении
испытывают значительное укорочение, но развивают малую силу (выигрыш в расстоянии,
но проигрыш в силе).
В мышцах другого типа волокна располагаются косо по отношению к продольной
оси и прикрепляются с обеих сторон к сухожилию, которое тянется вдоль неё на всем
протяжении мышцы. Волокна таких (перистых) мышц намного короче самой мышцы.
Физиологическое поперечное сечение перистых мышц больше геометрического. При
мышечном сокращении сухожилие перемещается на малое расстояние, но при этом
развивается значительное тяговое усилие (выигрыш в силе при проигрыше в расстоянии).
Соотношение сил, развиваемых мышцами с параллельным ходом волокон, и перистыми,
выражает уравнение:
F1 2l
Sin n 2 Sin 2 , где F1 – сила сокращения перистой
F2 nb
мышцы, F2 – сила сокращения мышцы с параллельным расположением волокон, l – длина
мышцы в покое, n – доля этой длины при сокращении, b – средняя толщина мышцы, α –
угол между сухожилием и волокнами перистой мышцы.
Лишь немногие скелетные мышцы могут сокращаться более чем до 70%
первоначальной длины, то есть до n = 0,7. Если в перистой мышце угол α был бы равен 45
(Sin α = 0,7), то сила, направленная вдоль сухожилия, обращалась бы в 0, поскольку
сократившиеся волокна располагались бы перпендикулярно сухожилию. Обычно в
перистой мышце 30. Она сильнее мышцы с параллельным ходом волокон при
условии, что 0,9 l > b. 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 (Нм-2 = Па). Абсолютная мышечная сила
большинства скелетных мышц человека имеет порядок 106 Па, а гладких – 105 Па.
96
Сокращения скелетных мышц обеспечивают человеку, во-первых, поддержание
определённой позы, для чего необходимо противодействовать прежде всего силе земного
притяжения, во-вторых, перемещение частей тела друг относительно друга, в-третьих,
передвижение человека в пространстве. Перечисленные процессы осуществляются при
разной степени укорочения скелетных мышц. По этому признаку различают три типа
мышечных
сокращений:
изометрический,
изотонический,
ауксотонический
длина
почти
(или
анизотонический).
При
изометрическом
сокращении
мышцы
не
изменяется
(теоретически – вообще не изменяется), и вся сила затрачивается на развитие напряжения,
то есть на совершение статической работы (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. 5.12, а). Тогда в возбуждённой
мышце
развивается
значительное
напряжение,
которое
затем
уменьшается
по
экспоненциальному закону.
При изотоническом сокращении (рис. 5.12, б) мышечные волокна укорачиваются в
условиях постоянной (неизменной) внешней нагрузки. Происходит быстрое укорочение
мышцы, сменяющееся расслаблением.
Между нагрузкой (P) и скоростью укорочения (υ) мышцы при её изотоническом
сокращении установлена следующая зависимость – уравнение Хилла: (P + a)υ = b(P0 – P),
где а, b и P0 – константы. Произведение aυ отображает теплопродукцию мышцы за
единицу времени (так называемая тепловая мощность); произведение Pυ выражает
полезную мощность. Следовательно, левая часть уравнения в целом характеризует полную
мощность
изотонического
мышечного
сокращения.
Величина
P0
соответствует
максимальной нагрузке, которую мышца ещё может удержать, но уже не в состоянии
поднять (передвинуть). Другими словами, P0 – максимальная сила, развиваемая мышцей в
изотоническом режиме. Когда нагрузка мало отличается от максимальной (P0), мышца не
может 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 укорочения тем больше, чем меньше нагрузка; б)
укорочение достигает своего максимума тем раньше, чем больше нагрузка; в) чем больше
нагрузка, тем позже после стимуляции начинается укорочение и тем раньше оно
оканчивается. Эти особенности изотонического сокращения мышцы объясняются
97
следующим образом. После одиночной стимуляции мышца вначале сокращается в
изометрическом режиме. В это время сократительный элемент, укорачиваясь, растягивает
последовательный упругий элемент. После того как изометрическая сила мышцы
(активное напряжение) достигает массы груза, мышца начинает укорачиваться, поднимая
груз. Чем больше груз, тем меньше 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 изометрическое напряжение.
Рис. 5.12. Схема проведения опытов по изучению изометрического (а) и
изотонического (б) режимов мышечного сокращения и зависимость скорости укорочения
(υ) скелетной мышцы от нагрузки (F) на неё при изотоническом сокращении (в):
Обозначения: S – электроды для стимуляции двигательного нерва; 1 – тугая пружина с
датчиком напряжения; 2 – свободно поднимаемый груз
При изотоническом сокращении мышцы она, укорачиваясь, поднимает груз и,
таким образом, выполняет внешнюю работу. Величина этой работы равна произведению
степени укорочения мышцы на величину поднимаемого груза.
Кривую: «укорочение — нагрузка» можно получить двумя путями. В первом
случае мышца предварительно растягивается грузом и, таким образом, исходная ее длина
будет различной в зависимости от величины груза. Это показано на рисунке кривой
98
напряжения покоя (1). Предположим, что при нагрузке 120 г на кривой 1 длина мышцы
соответствует точке А. При тетаническом раздражении мышцы она укорачивается до
длины, показанной на рисунке точкой Б. Подвешивая к мышце различные грузы, получаем
кривую 2 изотонических максимумов.
1
Р,г
200
2
Д’
В’
100
6
5
В
ж’
3
З
1,5
4
а
Г Е
3
Д
1
2
А
ж
0
2,5
3,5
L,cм
б
Рис. 5.13. Изотоническое сокращение мышцы: а—установка 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 между нагрузкой Р и длиной L мышцы: 1 — кривая пассивного
напряжения (исходная длина мышцы — 2,5 см); 2— кривая изотонических максимумов; 3
— кривая постнагрузочных изотонических максимум расслабления.
Во втором случае исследуется укорочение мышцы при различных нагрузках, но
исходная длина мышцы сохраняется постоянной—метод постнагрузочного сокращения.
Пассивное растяжение мышцы под влиянием груза предотвращается стопорным винтом,
как это показано в верхней части рисунка 5.16. Таким путем получаем кривую 3
постнагрузочных изотонических максимумов. При каждой нагрузке в мышце в ответ на
раздражение развивается сначала изометрическое напряжение. Когда последнее достигает
величины груза, мышца начинает укорачиваться, производя работу. Как видно из рис.
5.13, при нагрузке, например, 90 г выполненная мышцей работа будет равна площади
фигуры ОВВ'Г. При нагрузках ~ 160 и 30 г работа мышцы будет равна площади фигур
ОДД'Е и ОЖЖ'З соответственно. Площадь ОВВТ больше, чем площадь ОДД'Е или
ОЖЖ'З.
Таким образом, максимальную работу мышца выполняет при умеренной и средней
нагрузках. Увеличение или уменьшение нагрузки ведет к уменьшению работы, а при
99
максимальной (равной изометрическому напряжению) и нулевой нагрузках работа,
выполненная мышцей, будет стремиться к нулю.
Важной
характеристикой
изотонического
сокращения
является
скорость
укорочения мышцы v. Оказалось, что при одинаковой исходной длине мышцы скорость
укорочения при изотоническом сокращении тем больше, чем меньше нагрузка (рис. 5.14).
При нулевой нагрузке скорость максимальна, а при максимальной нагрузке (когда она
равна максимальному изометрическому напряжению — Р0) укорочение мышцы
отсутствует, поэтому и скорость его равна нулю.
V
8
6
%
5г
9г
10
0
4
3г
20
200
а
400
2
t,мс
В
Б
А
0
100
200 Р
б
Рис. 5.14. 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
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.
Так как укорочения последовательно соединенных между собой саркомеров в
мышечном волокне суммируются, то при сокращении 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 на 1
мкм за 50 мс. Более длинные мышцы конечностей крупных животных укорачиваются со
скоростью 8 м/с и больше.
100
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
закрытых клапанах) испытывает изометрическое сокращение. Жевательные мышцы при
сомкнутых челюстях развивают огромное напряжение именно потому, что происходит их
изометрическое сокращение. Бицепс плеча человека, напротив, сокращается главным
образом в изотоническом режиме. Однако динамическая работа, обеспечивающая
перемещение тела и его частей в пространстве, совершается преимущественно благодаря
ауксотоническому типу мышечных сокращений, когда мышцы в процессе сокращения и
укорачиваются, и напрягаются.
Различают два режима сократительной деятельности скелетных мышц: одиночное и
тетаническое сокращения. Первое из них возникает в ответ на однократную стимуляцию.
В нём чётко различают две стадии: 1) напряжение (укорочение) и 2) расслабление
(удлинение). 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 цикла сокращения к длительности релаксирующей части. Заметим, что в
архитектуре
и
музыке
золотая
пропорция
между
составляющими
элементами
воспринимается как гармония. Она характерна для структуры тела и функционирования
человека. При патологии золотая пропорция нарушается.
Различают быстрые и медленные мышечные волокна и в зависимости 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 укорочение
затягивается до 50 – 100 мс.
101
P
0,5
3
0,25
2
1
0
0,5
1 t,c
Рис. 5.15. Режимы сократительной деятельности скелетных мышц: 1 – одиночное
сокращение; 2 – зубчатый тетанус; 3 – гладкий тетанус
Режим одиночных сокращений устанавливается не только при однократной, но и
при редкой ритмической стимуляции, причём её максимальная частота, обеспечивающая
одиночные сокращения, неодинакова для быстрых и медленных мышц. Если у медленных
она ниже 10 Гц, то у быстрых достигает 50 Гц. В режиме одиночных сокращений мышца
способна работать долго, но их амплитуда всегда меньше максимальных возможностей.
При тетанических сокращениях, возникающих в ответ на ритмическую
стимуляцию определенной частоты, мышца сокращается в 2 – 4 раза сильнее, чем в
режиме одиночных сокращений. Их амплитуда увеличивается благодаря наложению
(суперпозиции) следующих друг за другом одиночных сокращений. Их суммация
особенно 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 на стадии её расслабления, когда же
интервал между стимулами меньше длительности стадии укорочения мышцы, возникает
гладкий тетанус. В быстрой мышце это происходит при частоте стимуляции 150 – 200 Гц,
а в медленной – уже на 30 Гц. В патологии примером тетанических сокращений являются
судороги. Работа в тетаническом режиме быстро приводит мышцу к утомлению, что
проявляется вначале в уменьшении силы сокращений и удлинении стадии расслабления, а
затем – в прекращении сократительной деятельности.
102
Тема 6. Основы биофизики сенсорных систем
Зрительный анализатор
Строение глаза как оптической системы
Глаз представляет собой оптическую систему, предназначенную для формирования
изображения на сетчатке и преобразования этого изображения в потенциалы действия,
распространяющиеся по нервным волокнам зрительного нерва. Глазное яблоко
представляет собой шарообразное тело диаметром 24 мм с весьма твердой внешней
оболочкой - склерой. Передняя часть склеры (роговица) прозрачна. Показатель
преломления n= 1,376, под роговицей находится передняя камера, которая заполнена
прозрачной жидкостью с n=1,336. Радужная оболочка расположена перед хрусталиком и
имеет диафрагму (зрачок). Хрусталик с n = 1,386 представляет собой линзу, с изменяемым
радиусом кривизны. Внутренняя поверхность глазного яблока выстелена сетчаткой, в
которой находятся фоторецепторные клетки (палочки и колбочки) содержащие
светочувствительное вещество – хромофор. Цветное зрение реализуется с помощью
колбочек, а палочки «отвечают» за сумеречное зрение. У человека в сетчатке примерно
125 млн. палочек и значительно больше колбочек. Распределяются они по сетчатке весьма
неравномерно: в области желтого пятна отмечают наибольшую плотность колбочек (200
тыс. на 1 мм2), а с удалением от него их число уменьшается, но увеличивается плотность
палочек и достигает примерно того же значения на периферии сетчатки. Участок без
фоторецепторов - слепое пятно, в этом месте от сетчатки отходит нервное волокно,
идущее в головной мозг. Зрительная ось расположена так, что изображение предмета,
привлекающее внимание наблюдателя, фокусируется в области желтого пятна. Глаз
представляет
собой
саморегулирующую
систему,
ее
оптические
недостатки
в
значительной мере компенсируются регуляторными механизмами, оптимизирующие
работу глаза. Важнейшим механизмами регулирования являются система фокусировки
изображения на сетчатке и механизм регуляции количества света, попадающего на
сетчатку. Фокусировка осуществляется путем автоматического изменения радиуса
кривизны хрусталика. Этот эффект называется аккомодацией. Система аккомодации
представляет
собой следящую систему, которая удерживает в фокусе изображения
удаляющегося или приближающегося объекта. Управление производится с помощью
цилиарной мышцы. Количество света регулируется изменением оптического отверстия зрачка, причем освещенность сетчатки изменяется пропорционально квадрату диаметра
103
зрачка. Регулировка диаметра зрачка производится двумя мышцами – антагонистами:
кольцевая (сфинктер) сужает зрачок, а радиальная (дилататор) его расширяет. Система
регуляции состоит из регулятора и объекта управления и содержит контур отрицательной
обратной связи.
Системы саморегулирования в зрительном анализаторе
Важнейшими
механизмами
регулирования
являются
система
фокусировки
изображения на сетчатке и механизм регуляции количества света, попадающего на сетчатку.
Фокусировка осуществляется путем автоматического изменения радиуса кривизны
хрусталика. Этот эффект называется аккомодацией. Система аккомодации представляет
собой следующую систему, которая удерживает в фокусе изображение удаляющегося или
приближающегося объекта. Управление производится с помощью цилиарной мышцы.
Количество света регулируется изменением оптического отверстия – зрачка, причем
освещенность
сетчатки
изменяется
пропорционально
квадрату
диаметра
зрачка.
Регулировка диаметра зрачка производится двумя мышцами-антагонистами: кольцевая
(сфинктер) сужает зрачок, а радиальная (дилататор) его расширяет. Системы работают по
принципу получения сигнала ошибки между формируемым сигналом и некоторым
эталонным (требуемым или оптимальным). Система регуляции состоит из регулятора и
объекта управления и содержит контур отрицательной обратной связи.
Фоторецепторная система глаза
Фоторецепторная система, или сетчатка представляет собой многослойную
клеточную структуру, в которой выделяют 10 слоев. Внешняя сторона сетчатки обращена
к поверхности глазного яблока, а внутренняя - к внутренней части глаза. Свет
распространяется от ганглиозных клеток к пигментному эпителию, т. е чтобы дойти до
фоторецепторов, он должен пройти через все слои нервных клеток. Кроме того,
фоторецепторные клетки ориентированы к направлению падения света внутренним
сегментом, который не содержит хромофора. Пигментный эпителий поникает между
клетками фоторецепторов, поэтому, когда в глаз попадает слишком много света, он
ослабляет отраженный и рассеянный наружной стенкой склеры световой поток и, защищая
палочки и колбочки от избыточного освещения, еще и улучшает остроту зрения. Передача
информации от палочек и колбочек происходит через синапсы двух синаптических слоев.
Горизонтальные и амакриновые клетки посредством внешнего синаптического слоя
соединят соседние фоторецепторы, поэтому передача информации осуществляется и в
104
латеральном направлении. Биполярные клетки передают информацию внутреннему
синаптическому слою. Положительные нервные импульсы возникают в ганглиозных
клетках. А иногда и в амакриновых. Ганглиозные клетки являются источником импульсов,
поступающих в головной мозг по нервным волокнам, отходящим от нервных клеток.
Любая
ганглиозная
клетка
получает
информацию
от
ограниченного
числа
фоторецепторных клеток, которое называется рецепторным полем.
Передача информации от фоторецепторных клеток
Передача информации от палочек и колбочек происходит через синапсы двух
синаптических слоев. Горизонтальные и амакриновые клетки посредством внешнего
синаптического слоя соединяют соседние фоторецепторы, поэтому передача информации
осуществляется и в латеральном направлении. Биполярные летки передают информацию
внутреннему синаптическому слою. Исследование электрической активности отдельных
клеток показало, то рецепторные, горизонтальные и биполярные клетки испытывают
плавную гиперполяризацию при освещении, не создавая нервного импульса (мембранный
потенциал становится более отрицательным). Обычно для нейронов картина обратная –
при возбуждении происходит деполяризация клетки. Положительные нервные импульсы
возникают в ганглиозных клетках, а иногда и в амакриновых. Ганглиозные клетки
являются источником импульсов, поступающих в головной мозг по нервным волокнам,
отходящим от этих клеток. Любая ганглиозная клетка получает информацию от
ограниченного числа фоторецепторных клеток, которое называется рецепторным полем.
Сетчатка
ряда
животных
содержит
нейроны,
обладающие
избирательной
чувствительностью к направлению движения объекта. В основу этого эффекта заложен
тормозной механизм. У беспозвоночных палочки деполяризуются при освещении как
обычный нейрон.
Фоторецепторные
клетки у
позвоночных построены сходным образом и
представляют собой вытянутые структуры, состоящие из наружного и внутреннего
сегментов, которые связаны относительно тонкой перемычкой. Восприятие света
обусловлено поглощением излучения светочувствительными (зрительными) пигментами.
Одна из составляющих пигмента состоит из альдегида А – это ретиналь, а другая состоит
из белка – опсина, соединение опсина с ретиналем образует родопсин. Пигменты
отличаются опсином. В палочках всех видов животных обнаружен родопсин, в колбочках
– йодопсин, цианопсин и др.
105
Наиболее полно изучен родопсин, который сосредоточен в субклеточных
мембранных структурах – дисках. Диски образуют плотно упакованные стопки в
наружном сегменте фоторецептора и их число в стопке может достигать 1000. Каждый
диск составлен двумя мембранами, разделенными очень узкими промежутками.
Мембраны рецепторных дисков организованы также, как и обычные биомембраны, и
состоят из белков и бислоя липидов в соотношении 2:3. Один фоторецептор содержит
около миллиарда молекул родопсина и плотность их в фоторецепторной мембране около
25 тыс. молекул. Молекула родопсина ориентирована в мембране так, что ее хромофор
ретиналь в 90% случаев лежит перпендикулярно направлению луча или перпендикулярно
длинной оси фоторецептора. За счет этого увеличивается эффективная площадь
взаимодействия со светом.
Активным компонентом, поглощающим свет видимой области, является ретиналь.
По химической структуре он представляет собой полиеновую цепочку из шести
чередующихся одинарных и двойных связей. Такое строение молекулы предполагает
образование стереоизомерных форм из-за различной ориентации относительно двойных
связей. Но хромофорную функцию в родопсине выполняет только 11-цис-ретиналь,
молекула которого имеет изогнутую форму.
Соединение опсина с ретиналем осуществляется только тогда, когда ретиналь
находится в изогнутой форме, при этом последний «вкладывается» в «нишу», имеющуюся
в опсине. Белковая часть и хромофор соединяются ковалентной связью между
аминогруппой остатка лизина седьмого гидрофобного участка полипептидной цепи и
альдегидной группой ретиналя. Эта структура легко присоединяет и отдает атомы
водорода.
При
поглощении
света
ретиналь
из
изогнутой
цис-формы
переходит
в
выпрямленную транс-форму за время около 1 пс за счет поворота атомов вокруг двойной
связи. Изменение пространственного расположения атомов в ретинале требует затрат
энергии, которой вполне достаточно в одном кванте света. В результате нарушается
комплементарность или соответствие между формой ретиналя и формой активного центра
опсина. Происходит распад родопсина на ретиналь и опсин. Родопсин выцветает из
розового и становится желтым, почти бесцветным. Изомеризация ретиналя вызывает
изменения в белковой части родопсина и является первичной стадией, т.е. пусковым
процессом, который вызывает цикл последующих быстро происходящих превращений,
уже не требующих света. Затем происходит восстановление родопсина, причем не только
в темноте, но и на свету, этот процесс состоит из ряда стадий. Транс-ретиналь,
106
отделившись от опсина, поступает в пигментный эпителий сетчатки, где при участии
ферментов подвергается ряду превращений и уже в виде цис-формы доставляется
фоторецепторам. Фоторецептор синтезирует приблизительно 1 млн. молекул родопсина в
сутки. Фоторецепторные мембраны непрерывно обновляются за счет отторжения
верхушек наружных сегментов палочек в утренние и дневные часы, а колбочек – вечером
и
ночью.
Организму
необходима
беспрерывная
замена
дисков,
поскольку
фоторецепторные мембраны чувствительны к свету, под действием которого не только
обеспечивается родопсин, но и окисляются липиды самой мембраны. Например, у обезьян
ежедневно заменяется около 100 дисков палочки, т.е. полностью обновляется весь
наружный сегмент приблизительно за 10 дней.
Физиологический смысл фотохимических превращений родопсина заключается в
трансформации светового сигнала в электрический при многократном усилении. В этот
процесс вовлечены не только внутримембранные структуры дисков, но и внешняя
мембрана
фоторецепторной
клетки.
У
находящегося
в
темноте
фоторецептора
мембранный потенциал составляет около -45 мВ, что заметно меньше по сравнению с
потенциалом покоя других клеток (например, нервных и мышечных). Это определяется
спецификой барьерных свойств плазматической мембраны фоторецепторной клетки. Для
мембраны наружного сегмента характерна высокая проницаемость для ионов натрия и
низкая – для ионов калия, а для наружного сегмента ситуация обратная. Поэтому в
темноте
через
натриевые
каналы
наружного
сегмента
по
направлению
электрохимического градиента поступают ионы натрия (около миллиарда ионов в
секунду). Эти ионы активно выбрасываются в окружающую среду K-Na-насосом, поэтому
их концентрация в клетке поддерживается на низком уровне. Ионы калия, поступившие в
клетку при работе калий-натриевого насоса, пассивно выходят через мембрану
внутреннего сегмента, которая для них проницаема. Поглощение кванта света блокирует
натриевые каналы в мембране наружного сегмента фоторецептора, и поток ионов натрия в
летку уменьшается. Этот процесс и является тем звеном в общей цепи реакций, которое
определяет усиление сигнала, поскольку поглощение родопсином кванта света временно
прекращает
поток
большого
количества
ионов
натрия
(приблизительно
107).
Блокирование Na-каналов гиперполяризует мембранный потенциал.
Фотохимические теории световой и темновой адаптации. Закон ВебераФехнера
Поскольку натриевые каналы и молекулы родопсина в дисках пространственно
107
разобщены, то управление состоянием каналов возможно с помощью свободно
диффундирующих в цитоплазме фоторецептора молекул медиатора. В качестве медиатора
могут выступать ионы кальция или циклический гуанозинмонофосфат (цГМФ). В
соответствии с видом медиатора распространены две гипотезы, объясняющие перенос
информации от молекул родопсина дисков к натриевым каналам плазматической мембраны
фоторецептора. Гипотеза первая: в темноте диски накапливают ионы кальция в процессе
активного транспорта, далее поглощение света приводит к выбросу ионов кальция из
мембранных депо, затем происходит их диффузия к плазматической мембране наружного
сегмента, что приводит к блокаде натриевых каналов. Гипотеза вторая: в темноте высокое
содержание цГМФ поддерживает открытыми натриевые каналы, а при воздействии света и
распаде родопсина образуется фермент, который гидролизует цГМФ, причем при распаде
одной молекулы родопсина закрываются около 10 тысяч каналов. Активацию фермента,
разрушающего цГМФ, связывают со структурными переходами в молекуле родопсина при
распаде на составляющие. Ни одна из приведенных гипотез не получила однозначных
экспериментальных подтверждений, но участие ионов кальция и молекул цГМФ во
внутриклеточной передаче сигнала и управлении состоянием натриевых каналов считается
несомненным.
Закон Вебера — Фехнера — эмпирический психофизиологический закон,
заключающийся в том, что интенсивность ощущения пропорциональна логарифму
интенсивности стимула.
В ряде экспериментов, начиная с 1834 года, Э. Вебер показал, что новый
раздражитель, чтобы отличаться по ощущениям от предыдущего, должен отличаться от
исходного на величину, пропорциональную исходному раздражителю. Так, чтобы два
предмета воспринимались как различные по весу, их вес должен различаться на 1/30, для
различения яркости двух источников света необходимо, чтобы их яркость отличалась на
1/100 и т. д.
На основе этих наблюдений Г. Фехнер в 1860 году сформулировал «основной
психофизический закон», по которому сила ощущения p пропорциональна логарифму
интенсивности раздражителя S:
где S0 — граничное значение интенсивности раздражителя: если S < S0, раздражитель
совсем не ощущается.
108
Можно сказать и так: Отношение минимального приращения силы раздражителя,
впервые вызывающего новые ощущения, к исходной величине раздражителя, есть величина
постоянная (const).
Закон Вебера — Фехнера можно объяснить тем, что константы скорости химических
реакций, проходящих при рецептировании, нелинейно зависят от концентрации химических
посредников физических раздражителей или собственно химических раздражителей.
Разрешающая способность глаза. Спектральная чувствительность
Разрешающая способность глаза характеризуется тем минимальным углом, под
которым глаз видит две расположенные рядом детали, как две. Остротой зрения
называется величина, обратная углу зрения, при котором еще можно раздельно видеть две
близкие точки предмета, т. е это величина, обратная разрешающей способности.
Разрешающая способность зрительного анализатора определяется тремя факторами:
дифракцией света, структурой сетчатки и аберрацией. дифракция света в зрительном
анализаторе происходит за счет того, что перед хрусталиком расположена радужная
оболочка, в центре которой находится зрачок, представляет собой диафрагму. Структура
сетчатки тоже влияет на разрешающую способность. Поскольку фоточувствительные
рецепторы представляют собой отдельные клетки, то структура сетчатки является
дискретной, причем в центральной части (желтое пятно) почти каждая колбочка соединена
с отдельным нервным окончанием. Чтобы получить изображение двух точек, необходимо
возбудить два фоторецептора, но между ними должен находится хотя бы один
невозбужденный. Следовательно, два дифракционных изображения должны
две
колбочки, а минимум в этой двойной дифракционной картине должен попасть на третью между ними.. третий фактор, влияющий на разрешающую способность - абберация света.
Наиболее значимыми для разрешающей способности глаза являются абберации:
хроматическая и сферическая. Хроматическая абберация состоит том, что излучения
различных волн, входящих в состав падающего потока света. Преломляются по- разному и
образуют не одно, а множество изображений предмета. Накладываясь, друг на друга, те
изображения создают нерезкую картину, которая не позволяет достичь предельного
различения деталей. Этот вид аберрации сказывается, если фотоприемник (глаз)
чувствителен в широком диапазоне длин волн. Поскольку диапазон воспринимаемого
глазом излучения относительно мал. То влияние хроматической аберрации на
разрешающую способность будет незначительно. Сферическая аберрация заключается в
том, что параллельные лучи, идущие около оптической оси, имеют большое фокусное
109
расстояние, чем лучи, удаленные от этой оси. Кома - сферическая аберрация, возникающая
при косом попадании пучка света. Дисторсия- искривление прямых линий объекта.
Дифракция и аберрация света не зависит от освещенности, а разрешающая способность
глаза - зависит. Освещенность может быть настолько малой, что энергии, получаемой в
колбочке, недастаточно для возбуждения нервного волокна, но зрение не пропадает т. е.
происходит пространственное суммирование на уровне синоптических слоев. Глазное
яблоко находится в непрерывном (автоматическом) движении, в результате которого
изображения внешних предметов все время скользят по поверхности сетчатки. Это
движение включает несколько составляющих и обусловлено работой мышц глаза.
Выделяют микродвижения глаза при фиксации зрения на неподвижную точку (тремор),
дрейф и быстрые скачки.
Субъективные и физические характеристики цвета
Характер
цветового
ощущения
зависит
как
от
суммарной
реакции
цветочувствительных рецепторов, так и от соотношения реакций каждого из трёх типов
рецепторов. Суммарная реакция определяет светлоту, а соотношение ее долей - цветность.
Когда излучение раздражает все рецепторы одинаково (единица интенсивности
раздражения – «доля участия в белом»), его цвет воспринимается как белый, серый или
как черный. Белый, серый и черный цвета называются ахроматическими. Эти цвета не
различаются качественно. Разница в зрительных ощущениях при действии на глаз
ахроматических излучений зависит только от уровня раздражения рецепторов. Поэтому
ахроматические цвета могут быть заданы одной психологической величиной – светлотой.
Если рецепторы разных типов раздражены неодинаково, возникает ощущение
хроматическое цвета. Для его описания нужны уже две величины светлота и цветность.
Качественная характеристика зрительного ощущения, определяемая как цветность,
двумерна: складывается из насыщенности и цветового тона.
В тех случаях, когда, когда все рецепторы раздражены почти одинаково, цвет
близок к ахроматическому: качество цвета едва выражено. Это, в частности, белый с
синим оттенком, синевато-серый и т.д. Чем больше перевес в раздражении рецепторов
одного из двух типов, тем сильнее ощущается качество цвета, его хроматичность. Когда,
например, возбуждены только красночувствительные рецепторы, мы видим чисто красный
цвет. Весьма далекий от ахроматического.
Степень
отличия
хроматического
цвета
насыщенностью.
110
от
ахроматического
называется
Светлота и насыщенность – характеристики, недостаточные для полного
определения цвета. Когда говорят «насыщенный красный» или «малонасыщенный
зелённый», то кроме насыщенности, упоминается цветовой тон цвета. Это то его свойство,
которое подразумевают в обыденной жизни, когда называют цвет предмета. Несмотря на
очевидность понятия, общепризнанного определения термина «цветовой тон» нет. Одно из
них дается в такой форме: цветовой тон – это характеристика цвета, определяющая его
сходство с известным цветом (неба, зелени, песка и т. д.) и выражаемая словами «синий,
зеленый, желтый и т. д.».
Цветовой тон определяется рецепторами, дающими наибольшую реакцию. Если
цветовое ощущение формируется в результате одинакового раздражения рецепторов двух
типов при меньшем вкладе третьего, то возникает цвет промежуточного тона. Так, голубой
цвет ощущается при одинаковых реакциях зеленочувствительных и синечувствительных
оболочек.
Реакция
рецепторов,
получивших
наименьшее
раздражение,
определяет
насыщенность.
Ощущение желтого возникает при равных реакциях красночувствительных и
зеленочувствительных колбочек. Если усиливать возбуждение красночувствительных,
цветовой тон смещается в сторону оранжевого. Если вызывать раздражение и у
синечувствительных, насыщенность упадет.
Цветовой тон, насыщенность и светлота данного цвета зависят не только от
спектрального состава излучения, но и от условий наблюдения, состояния наблюдателя,
цвета фона и т.д. Поэтому рассмотренные
здесь характеристики называются
субъективными.
Субъективные эффекты при цветовых ощущениях
Цветовaя aдaптация состоит в том, что источник яpкoгo цвета снижает
чувствительность глаза к этому цвету и повышaeт чувствительность тех рецeптopoв,
которые возбуждаются слабо. В результате изменяется восприятие ряда цветoв и
увеличивается цветовой контраст. Например, яркий синий цвет снижает чувствительность
"синего" рецептора и делает голубой цвет зеленоватым. Если оба цвета имеют одинаковый
цветовой тон, но отличаются по насыщенности, восприятие цвeтa также изменяется цветовой тон менее насыщенного 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
111
состава источника света. Так, цвет привычного предмета кажется одинаковым при разном
освещении, это и есть константность восприятия окраски. Способность вносить
коррективу в непосредственно воспринимаемый цвет, поправку на особенность данного
освещения подтверждается многими экспериментами. Существует она у многих
животных, не только у позвоночных, но и у насекомых. Константность восприятия
окраски биологически чрезвычайно полезна, поскольку этот механизм позволяет
автоматически пересчитывать воспринимаемый цвет с учетом спектрального состава
каждого конкретного освещения и приводить его к какому-то одному, привычному для
организма. Сложность этого пpоцесса доказывается тем, что константность восприятия
окраски далеко не абсолютна, она до известной степени приближает наблюдателя к
определению истинной окраски предмета, а иногда вообще отсутствует.
Последовательный и одновременный контрасты цветов тоже основаны на цветовой
адaптaции и заключаются в следующем.
Если после напряженного наблюдения
небольшой зеленой полоски перевести взгляд на большую белую поверхность, то в
течение некоторого времени будет видна полоска, окрашенная в цвет, дополнительный к
зеленому
(пурпypный)
-
этот
эффект
называется
последовательным
образом.
Последовательный образ тем лучше заметен и тем дольше сохраняется, чем ярче предмет,
на который первоначально был обращен взгляд. Особенно хорошо он проявляется после
прямого взгляда на источник света.
Если яркий предмет имел ясно выраженную окраску и определенный цветовой тон,
то последовательный образ виден в цвете, близком к дополнительному цвету яркого
предмета. Этo явление называется последовательным цветовым контрастом. Проверить
его можно взяв квадратнyю пластинку, разделенную на четыре части, кaждaя из которых
окрашена соответственно в зеленый, синий, жeлтый и красный цвета. Если в течение
15...20 с фиксировать взгляд на середине пластинки, а потом быстро заменить пластинку
листом белой бумаги, то на последней будут видны четыре цветных квадрата. окрашенных
в цвета, близкие к дополнительным цветам четырех квадратов пластинки: краснопурпурный, оранжевый, пурпурновато-синий, сине-зеленый. Цвета последовательного
контраста связаны с локальной адaптaцией колбочек сетчатки: направляя взгляд на другую
точку бумаги, ясно видно, что вся картина перемещается по бумаге вместе с
перемещением глаз.
Известно другое явление: например, если положить синюю полоску на большом
красном фоне, а вторую такую же полоску на большом зеленом фоне, то эти полоски
будут восприниматься как поверхности разного цвета, причем цвет каждой из них
112
сдвинется в сторону цвета, дополнительного к цвету фона. Это явление называется
одновременным цветовым контрастом. Из него вытекает важное следствие: любой цвет в
окружении дополнительного к нему кажется более насыщенным. На фоне теплых цветов
этот эффект проявляется сильнее. Если цветовой круг разделить на части радиусами,
соединяющими красный и зеленые цвета, то в одной части круга будут так называемые
теплые цвета (красно-оранжевые, желтые, желто-зеленые), а в другой - холодные
(пурпурно-синие, голубые, голубовато-зеленые). В некоторых случаях одновременный
цветовой контраст якобы уничтожает цвет окрашенной поверхности, делает ее серой.
В
повседневной
жизни
человека
окружают
разноцветные
предметы,
располагающиеся на разных по цвету фонах. Взгляд переходит от одного предмета на
другой, меняется цветовая адаптация, на восприятие влияют последовательный и
одновременный контрасты. Следовательно, ощущения, вызываемые одним и тем же
цветом, могут быть весьма различны. Но цветовой стимул как физическая величина
остается
постоянным,
поэтому
важное
значения
для
восприятия
цвета
имеет
рассмотренное ранее явление константности восприятия окраски.
Трехкомпонентная теория цветового зрения, векторное представление цвета
В трехкомпонентной теории цветового зрения (Юнг, Максвелл, Гельмгольц)
постулируется наличие трех различных типов колбочек, которые работают как
независимые приемники, если освещенность имеет фотопический уровень. Комбинации
получаемых от рецепторов сигналов обрабатываются в нейронных системах восприятия
яркости и цвета. Правильность данной теории подтверждается законами смешения цветов,
а также многими психофизиологическими факторами. Например, на нижней границе
фотопической чувствительности в спектре могут различаться только три составляющие красный, зеленый и синий.
Первые объективные данные, подтверждающие гипотезу о наличии трех типов
рецепторов цветового зрения, были получены с помощью микроспектрофотометрических
измерений одиночных колбочек, а также посредством регистрации цветоспецифичных
рецепторных потенциалов колбочек в сетчатках животных, обладающих цветовым
зрением.
Понятие о колориметрических системах
В основе любой колориметрической системы находятся цветности цветов триады,
так как вот них результаты измерений зависят в особенно большой степени. Основные
113
излучения выбираются так, чтобы они в соответствии с первым законом Грасмана были
линейно независимы. Этому требованию отвечают излучения синего, зеленого и красного
цветов. Тройка линейно независимых цветов называется триадой. Для измерения цвета
можно
воспользоваться
разными
триадами:
основные
могут
занимать
разные
спектральные интервалы и участки спектра. Однако практически их число ограничено..
Это связано с тем, что колориметрия предъявляет к основным не только требование
линейной зависимости, но и другие. Среди них – возможность легкого и точного
осуществления основных и также возможно большая насыщенность воспроизводимых
цветов. Как известно из изложенного выше, с уровнем яркости объекта связана
контрастная чувствительность глаза. Поэтому два участка разных цветов, различаемые
при одной яркости, могут оказаться, неразличимы при другой, когда чувствительности
глаза понижается. Следовательно, условия колориметрических измерений целесообразно
нормировать так, что уровень яркости поля был оптимальным в отношении
чувствительности глаза. То же относится и к размерам фотометрического поля.
Кодирование информации в органе зрения
Длина волны кодируется тем, что в сетчатке находится три вида колбочек с разной
спектральной чувствительностью. Интенсивность света кодируется частотой потенциалов
действия в волокнах зрительного нерва, которая определяется значениями генераторных
потенциалов фоторецепторов. Кодирование информации о расстоянии
до предметов
происходит при монокулярном (работает один глаз) или бинокулярном зрении. При
монокулярном зрении главной в оценке расстояния является аккомодация. Кривизна
хрусталика изменяется за счет изменения степени напряжения ресничной мышцы, которая
воспринимается мышечным веретеном (проприорецептором), передающим информацию о
кривизне хрусталика. При бинокулярном зрении основное значение имеет диспарация или
расхождение изображений предметов на сетчатках обоих глаз. Когда глаза наведены на
предмет, изображение всех его точек попадают на идентичные участки сетчаток обоих
глаз и в представлении человека два изображения сливаются в одно. В тоже время
изображение предметов удаленных и приближенных попадают уже на разные участки
сетчатки и представляются раздвоенными. Возникает ощущения большой или меньшой
удаленности, т. е глубина рельефа кодируется значением диспарации. При бинокулярном
зрении точность оценки расстояния выше, чем при монокулярном.
Величина предметов кодируется количеством возбуждаемых фоторецепторов. В
зависимости от величины предмета на сетчатки будет формироваться изображение
114
больший или меньшой площади и будет возбуждаться разное число рецепторов. Величина
изображения предмета на сетчатки зависит от расстояния до предмета, т.е от углового
размера, поэтому оценка величины будет зависеть и от расстояния.
Как уже отмечалось важную роль в кодировании информацию в органе зрения
имеют процессы обработки сигналов на уровне сетчатки, особенно латеральное
торможение, за счет которого повышается контраст, в том числе и световой.
Слуховой анализатор
Слуховой анализатор – это второй по значению анализатор в обеспечении
адаптивных реакций и познавательной деятельности
человека
связана
с
членораздельной
речью.
Человека. Его особая роль
Слуховое
восприятие
–
у
основа
членораздельной речи. Ребенок, потерявший слух в раннем детстве, утрачивает и речевую
способность, хотя весь артикуляционный аппарат у него остается ненарушенным.
Адекватным раздражителем слухового анализатора являются звуки.
Рецепторный (перефирический) отдел слухового анализатора, превращающий
энергию звуковых волн в энергию нервного возбуждения, представлен рецепторными
волосковыми клетками кортиева органа (орган Корти), находящимися в улитке.
Слуховые рецепторы (фонорецепторы) относятся к механорецепторам, являются
вторичными и представлены внутренними
и наружными волосковыми клетками. У
человека приблизительно 3500 внутренних
и 20000 наружных волосковых клеток,
которые расположены на основной мембране внутри среднего канала внутреннего уха.
Строение органа слуха
Внутреннее ухо (звуковоспринимающий аппарат), среднее ухо (звукопередающий
аппарат) и наружное ухо (звукоулавливающий аппарат) объединяются в понятие орган
слуха
115
Рис. 6.1. Строение органа слуха: 1 - ушная раковина, 2 - наружный слуховой
проход, 3 - барабанная перепонка, 4 - молоточек, 5 - наковальня, 6 - стремечко, 7 - улитка,
8 - отолитовый аппарат, 9 - полукружные каналы, 10 - евстахиева труба, 11 - слуховой
нерв
Наружное ухо состоит из ушной раковины и наружного слухового прохода.
Обеспечивает улавливание звуков, концентрацию их в направлении наружного слухового
прохода и усиление интенсивности звуков. Кроме того структуры наружного уха
выполняют защитную функцию, охраняя барабанную перепонку от механических и
температурных воздействий внешней среды.
На границе между наружным и средним ухом находится барабанная перепонка.тонкая
соединительнотканная пластинка, толщиной около 0,1 мм, снаружи покрыта
эпителием, а изнутри слизистой оболочкой.
Барабанная перепонка расположена наклонна и начинает колебаться , когда на нее
падают со стороны наружного слухового прохода звуковые колебания. Барабанная
перепонка не имеет собственного периода колебания, она колеблется при всяком звуке
соответственно его длине волны.
Среднее ухо представлено барабанной полостью. В ней находится цепь слуховых
косточек: молоточек, наковальня и стремя.
Рукоятка молоточка срастается с барабанной перепонкой, а его головка образует
сустав с наковальней, которая также соединяется суставом с головкой стремени.
На медиальной стенке барабанной полости находятся отверстия: окно преддверия
(овальное) и окно улитки (круглое). Основание стремени закрывает окно преддверия,
ведущее в полость внутреннего уха, а окно улитки затянуто вторичной барабанной
перепонкой. Барабанная полость соединяется с носоглоткой посредством слуховой,
или евстахиевой, трубы. Через нее из носоглотки в полость среднего уха попадает
воздух, благодаря чему выравнивается давление на барабанную перепонку со стороны
наружного слухового прохода и барабанной полости.
116
Внутреннее ухо - полое костное образование в височной кости, разделенное на
костные каналы и полости, содержащие рецепторный аппарат слухового и вестибулярного
анализаторов.
Внутреннее ухо находится в толще каменистой части височной кости и состоит из
системы сообщающихся друг с другом костных каналов – костного лабиринта, в котором
расположен перепончатый лабиринт. Очертания костного лабиринта почти полностью
повторяют очертания перепончатого. Пространство между костным и перепончатым
лабиринтом, называемое перилимфатическим, заполнено жидкостью - перилимфой,
которая по составу сходна с цереброспинальной жидкостью. Перепончатый лабиринт
погружен
в
перилимфу,
он
прикреплен
к
стенкам
костного
футляра
соединительнотканными тяжами и заполнен жидкостью - эндолимфой, по составу
несколько отличающейся от перилимфы. Перилимфатическое пространство связано с
субарахноидальным узким костным каналом - водопроводом улитки. Эндолимфатическое
пространство замкнуто, имеет слепое выпячивание, выходящее за пределы внутреннего
уха
и
височной
кости
-
водопровод
преддверия.
Последний
заканчивается
эндолимфатическим мешочком, заложенным в толще твердой мозговой оболочки на
задней поверхности пирамиды височной кости.
Костный лабиринт состоит из трех отделов: преддверия, полукружных каналов и
улитки. Преддверие образует центральную часть лабиринта. Кзади оно переходит в
полукружные каналы, а кпереди - в улитку. Внутренняя стенка полости преддверия
обращена к задней черепной ямке и составляет дно внутреннего слухового прохода. Ее
поверхность делится небольшим костным гребнем на две части, одна из которых
называется сферическим углублением, а другая - эллиптическим углублением. В
сферическом углублении расположен перепончатый сферический мешочек, соединенный
с улитковым ходом; в эллиптическом - эллиптический мешочек, куда впадают концы
перепончатых полукружных каналов. В срединной стенке обоих углублений расположены
группы мелких отверстий, предназначенных для веточек вестибулярной части преддверноулиткового нерва. Наружная стенка преддверия имеет два окна - окно преддверия и окно
улитки, обращенные к барабанной полости. Полукружные каналы расположены в трех
почти перпендикулярных друг к другу плоскостях. По расположению в кости различают:
верхний
(фронтальный),
или
передний,
задний
(горизонтальный) каналы.
117
(сагиттальный)
и
латеральный
Рис. 6.2. Общая схема костного и находящегося в нем перепончатого лабиринта: 1
—кость; 2 —полость среднего уха; 3 —стремя; 4 —окно преддверия; 5— окно улитки; 6—
улитка; 7 и 8 —отолитовый аппарат (7 — саккулус или круглый мешочек; 8 —утрикулус,
или овальный мешочек); 9, 10 и 11 —полукружные каналы 12 —пространство между
костным и перепончатым лабиринтами, заполненное перилимфой
Костная улитка представляет собой извитой канал, отходящий от преддверия; он
спирально 2,5 раза огибает свою горизонтальную ось (костный стержень) и постепенно
суживается к верхушке. Вокруг костного стержня спирально извивается узкая костная
пластинка, к которой прочно прикреплена продолжающая ее соединительная перепонка базальная мембрана, составляющая нижнюю стенку перепончатого канала (улиткового
хода). Кроме того, от костной спиральной пластинки под острым углом латерально кверху
отходит
тонкая
соединительнотканная
перепонка
-
преддверная
(вестибулярная)
мембрана, называемая также рейсснеровой мембраной; она составляет верхнюю стенку
улиткового хода. Образующееся между базальной и вестибулярной мембраной
пространство с наружной стороны ограничено соединительнотканной пластинкой,
прилегающей к костной стенке улитки. Это пространство называется улитковым ходом
(протоком);
оно
заполнено
эндолимфой.
Кверху
и
книзу
от
него
находятся
перилимфатические пространства. Нижнее называется барабанной лестницей, верхнее лестницей преддверия. Лестницы на верхушке улитки соединяются друг с другом
отверстием улитки. Стержень улитки пронизан продольными кольцами, через которые
проходят нервные волокна. По периферии стержня тянется спирально ее обвивающий
канал, в нем помещаются нервные клетки, образующие спиральный узел улитки). К
костному лабиринту из черепа ведет внутренний слуховой проход, в котором проходят
преддверно-улитковый и лицевой нервы.
118
Перепончатый лабиринт состоит из двух мешочков преддверия, трех полукружных
протоков, протока улитки, водопроводов преддверия и улитки. Все эти отделы
перепончатого лабиринта представляют собой систему сообщающихся друг с другом
образований.
Кодирование информации в органе слуха
Основные этапы преобразования сигнала в органе слуха:
1) предварительная фильтрация звуков наружным ухом;
2) преобразование механических колебаний барабанной перепонки в механические
колебания слуховых косточек;
3)
передача
механических
колебаний
слуховых
косточек
и
возбуждение
гидродинамических колебаний в улитке;
4) смещение биомембран в результате гидродинамических колебаний и сдвиг
стереоцилий волосковых клеток;
5) формирование рецепторных потенциалов и их преобразование в потенциалы
действия нервных волокон слухового нерва.
Колебания перилимфы передаются на основную мембрану
и формируют в
волосковых клетках генераторные потенциалы. Генераторные потенциалы через синапсы
воздействуют на нервные окончания и вызывают потенциалы действия, которые
поступают в головной мозг. Суммарный рецепторный потенциал волосковых клеток,
который называется микрофонным потенциалом, можно зарегистрировать, если электрод
ввести в полость улитки. Частота колебаний микрофонного потенциала соответствует
частоте звуковых колебаний, а амплитуда в широких пределах пропорциональна
интенсивности звука.
Для объяснения различения звуков по тонам и интенсивности были предложены:
резонансная теория Гельмгольца, телефонная теория Резерфорда, теория бегущей волны
Бекеши, теория стоячих волн Эвальда. Телефонная теория предполагает, что в улитке под
действием звука генерируются электрические потенциалы, частота которых соответствует
частоте звуковых колебаний. Эти потенциалы отводятся по слуховому нерву в головной
мозг. Открытие микрофонного эффекта подтвердило это предположение, но такой
механизм может работать до сотен герц. Поскольку существует рефрактерный период
слухового нерва. Резонансная теория основана на том, что поперечные плотные волокна
основной мембраны имеют разную длину. У основания они наиболее короткие. Тогда
собственная резонансная частота совпадает со звуковыми колебаниями и происходит
119
раздражение рецепторных клеток соответствующего волокна. Эта гипотеза верна в том,
что различение высоты звука определяется локализацией места максимальной вибрации
на основной мембране.
Современные исследования доказывают, что на частотах до 1 кГц возбуждаются
рецепторы на протяжении всей длины основной мембраны и реализуется частотный
характер кодирования высоты звука. Локализация на мембране областей с максимальной
амплитудой колебаний определяется их частотой.
Объяснение
кодирования интенсивности
звука связано с его частотным
диапазоном. Предполагают, что около 20….100 Гц происходит частотно-импульсное
кодирование,
поскольку
частотное
кодирование
уже
задействовано.
Два
звука
одинакового тона, но разной интенсивности создают пачки нервных импульсов с
периодом повторения, соответствующим высоте тона, но с разным количеством
импульсов в пачке, в зависимости от интенсивности. Верхний предел частотноимпульсного кодирования ограничен рефрактерным периодом слухового нерва. На более
высоких частотах возбуждается разное число нервных клеток в обоих слоях основной
мембраны, поскольку у них разный порог возбуждения. Интенсивность звука кодируется
количеством возбуждаемых рецепторов, настроенных на определенную частоту. На
частотах более 1 кГц
может
снова наблюдаться частотно-импульсный принцип
кодирования.
Определение направления на звук происходит за счет бинаурального или
стереоакустического эффекта, который возникает вследствие двух факторов: разницы в
силе звука из-за акустической тени при огибании головы звуковыми волнами и фазового
бинаурального эффекта. Для низких частот (менее 800 Гц) акустическая тень
незначительна. Второй фактор состоит в том, что если нет разности фаз звуковых
колебаний, приходящих на оба уха, то звук воспринимается
идущим спереди. Для
сложных звуков имеют место одновременно оба эффекта.
Вестибулярный аппарат, его строение и функции
Вестибулярная система играет наряду со зрительной и соматосенсорной системами
ведущую роль в пространственной ориентировке человека. Она получает, передает и
анализирует информацию об ускорениях или замедлениях, возникающих в процессе
прямолинейного или вращательного движения, а также при изменении положения головы
в пространстве. При равномерном движении или в условиях покоя рецепторы
вестибулярной сенсорной системы не возбуждаются. Импульсы от вестибулорецепторов
120
вызывают
перераспределение
тонуса
скелетной
мускулатуры,
что
обеспечивает
сохранение равновесия тела. Эти влияния осуществляются рефлекторным путем через ряд
отделов ЦНС.
Строение и функции рецепторов вестибулярной системы. Периферическим отделом
вестибулярной системы является вестибулярный аппарат, расположенный в лабиринте
пирамиды височной кости. Он состоит из преддверия (vestibulum) и трех полукружных
каналов (canales cemicircularis). Кроме вестибулярного аппарата, в лабиринт входит
улитка,
в
которой
располагаются
слуховые
рецепторы.
Полукружные
каналы
располагаются в трех взаимно перпендикулярных плоскостях: верхний — во фронтальной,
задний — в сагиттальной и латеральный — в горизонтальной. Один из концов каждого
канала расширен (ампула).
Вестибулярный аппарат включает в себя также два мешочка: сферический
(sacculus) и эллиптический, или маточку (utriculus). Первый из них лежит ближе к улитке,
а второй — к полукружным каналам. В мешочках преддверия находится отолитовый
аппарат: скопления рецепторных клеток (вторично-чувствующие механорецепторы) на
возвышениях, или пятнах (macula sacculi, macula utriculi). Выступающая в полость
мешочка часть рецепторной клетки оканчивается одним более длинным подвижным
волоском и 60—80 склеенными неподвижными волосками. Эти волоски пронизывают
желеобразную мембрану, содержащую кристаллики карбоната кальция — отолиты.
Возбуждение волосковых клеток преддверия происходит вследствие скольжения
отолитовой мембраны по волоскам, т. е. их сгибания.
В перепончатых полукружных каналах, заполненных, как и весь лабиринт, плотной
эндолимфой (ее вязкость в 2-3 раза больше, чем у воды), рецепторные волосковые клетки
сконцентрированы только в ампулах в виде крист (cristae ampularis). Они также снабжены
волосками. При движении эндолимфы (во время угловых ускорений), когда волоски
сгибаются в одну сторону, волосковые клетки возбуждаются, а при противоположно
направленном движении - тормозятся. Это связано с тем, что механическое управление
ионными каналами мембраны волоска с помощью микрофиламентов, описанное в разделе
«механизмы слуховой рецепции», зависит от направления сгиба волоска: отклонение в
одну сторону приводит к открыванию каналов и деполяризации волосковой клетки, а
отклонение
в
противоположном
направлении
вызывает
закрытие
каналов
и
гиперполяризацию рецептора. В волосковых клетках преддверия и ампулы при их
сгибании
генерируется
рецепторный
потенциал,
который
усиливает
выделение
ацетилхолина и через синапсы активирует окончания волокон вестибулярного нерва.
121
Волокна вестибулярного нерва (отростки биполярных нейронов) направляются в
продолговатый мозг. Импульсы, приходящие по этим волокнам, активируют нейроны
бульбарного вестибулярного комплекса, в состав которого входят ядра: преддверное
верхнее, или Бехтерева, преддверное латеральное, или Дейтерса, Швальбе и др. Отсюда
сигналы
направляются
во
многие
отделы
ЦНС:
спинной
мозг,
мозжечок,
глазодвигательные ядра, кору большого мозга, ретикулярную формацию и ганглии
автономной нервной системы.
Рецепция запаха и вкуса
Восприятия вкуса и запаха основаны на прямом молекулярном узнавании. По
степени развития обоняния животных принято делить на 3 группы:
- аносматики, у которых обоняние не обнаружено (дельфины, зубчатые киты и др.);
- микросматики – слабо обоняющие (приматы и птицы);
- макросоматики – тонко обоняющие.
Обонятельная рецепция имеет очень важное значение для ряда позвоночных и
беспозвоночных животных. Насекомые пользуются языком запахов - выделяемые ими
специфические вещества - феромоны cлyжaт для сигнализации о тревоге и запасах пищи
(муравьи). Бабочки используют феромоны в качестве половых aтpaктaнтoв, например,
самки тyтoвoгo шелкопряда выделяют бомбикол. Чувствительность к запаху может быть
чрезвычайно высокой, например, самцы бабочек этого шелкоnpяда реагируют на
бомбикол с концентрацией 10-18 мг в кубическом метре воздуха. Доказано, что феромоны
попадают в обонятельные рецепторы и изменяют их мембранный потенциал, зaтeм они
инактивируются и метаболизируются..
Чувствительность человека сущecтвeнно меньше, зависит от целого ряда факторов,
в том числе от пахучего вещества, и составляет, например, 410-7 мг/л для скатола
(метилиндол) и 510-9 мг/л для тринитробутилголуола.
Обонятельные рецепторы человека входят в состав обонятельного эпителия.
который расположен в задней части носовой перегородки и в верхнем, носовом ходе.
Рецепторные метки расположены вокруг опорных. Всего у человека примерно 60 млн
обонятельных рецепторов, которые расположены на площади около 5 см . Поверхность
обонятельных рецепторов покрыта слоем тонкой (толщиной около 2 мкм) водянистой
среды, состоящей из воды и липидов, поэтому пахучее вещество должно быть достаточно
122
летучим и растворяться в воде и. в липидax, чтобы попасть к рецепторным клеткам. Сами
рецепторы имеют приблизительно 10 тонких ресничек. С противоположной стороны
находятся тонкие нити, которые входят в полость черепа и на нижней поверхности лобной
доли сходятся вместе, образуя обонятельную луковицу. В ней и располагаются первые
нейроны обонятельного афферентного пути. При воздействии обонятельных стимулов
происходит
формирование
генераторных
потенциалов
в
центральных
отростках
рецепторов. Суммарный генераторный потенциал обонятельных рецепторных клеток,
который называют электpoальфактограммой, можно зарегистрировать при наложении
электрода на поверхность обонятельного эпителия.
Для классификации запахов и объяснения механизма рецепции запаха было
предложено более 20 гипотез. Одно из предложений по классификации было основано на
разделении пахучих веществ по спектру их поглощения в ультрафиолетовой области. По
этому принципу выделялись 7 запахов, которые приведены в таблице, однако имеется
целый рад веществ, сходных по запаху, но отличающихся по спектру поглощения.
До настоящего времени не существует полностью обоснованной физикохимической теории обонятельной рецепции, объясняющей взаимодействие пахучих
веществ с рецепторами и механизм формирования рецепторного потенциала. Одна из
известных гипотез – квантовая (резонансная, вибрационная) теория запаха Райта,
основанная на представлении о том, что молекулам пахучего вещества свойственны
внутримолекулярные колебания, в результате которых они испускают электромагнитное
излучение в инфракрасной области спектра. Это излучение резонансно взаимодействует с
молекулами «обонятельного пигмента», который нходится в мембране рецепторов. В
результате
этого
первичного
процесса
запускаются
последующие
заканчивающиеся серией потенциалов действия нервных волокон.
123
механизмы,
Таблица 6.1. Запахи.
Запахи
Δλ, нм (пример пахучего вещества)
1. Эфирные
200…220 (ананас, виноград)
2. Ванильные
220…240 (роза, ваниль)
3. Ароматические 240…260 (ментол, анис)
4. Пригорелые
260…280 (кофе, табак)
5. Вонючие
280…300 (чеснок, клопы)
6. Гнилостные
300…330 (тухлые яйца, гнилая рыба)
7. Острые
330…350 (хлор, бром)
Однако, несмотря на известные успехи, данная гипотеза встречает ряд серьезных
возражений. Так, многие вещества со сходными запахами имеют различные частоты
колебаний и разные спектры поглощения в инфракрасной области, например, многие
спирты. Молекулы, в которых атом водорода замещен изотопом дейтерия, обладают
сходным запахом, хотя при этом значительно меняются частоты основных колебаний. С
другой стороны, молекулы с почти одинаковыми частотами собственных колебаний и
спектрами инфракрасного поглощения обладают разными запахами. Кроме того, не
установлена локализация пигментов в обонятельных клетках и не определено их участие в
первичном акте взаимодействия с молекулами пахучих веществ.
Стереохимическая теория восприятия запаха
Наиболее признанной, считается стереохимическая теория запаха (теория “замка и
ключа”), разработанная Эймуром в 1962 г. В соответствии с данной теорией, рецепция
запаха основана на соответствии между структурой молекулы пахучего вещества и
структурой некоторой полости в рецепторной клетке. Эймур предложил разделить все
запахи на 7 основных или первичных: камфорный, мускусный, цветочный, мятный,
эфирный (дихлорэтилен), едкий или острый (муравьиная кислота), гнилостный
(бутилмеркаптан).
Вкусовой анализатор
Вкусовые рецепторы относятся к хеморецепторам. Они расположены в основном на
языке, внутренних поверхностях щек, в верхней части пищевода. Восприятие вкуса
обеспечивают вкусовые сосочки: грибовидные, листовидные и желобоватые.
124
Желобоватых сосочков у человека до 20 и расположены они на границе задней и
двух передних третей языка двумя сходящимися к корню рядами. Листовидные сосочки
находится
на боковых поверхностях языка. Грибовидных сосочков больше всего
и
сосредоточены они главным образом на кончике языка. Каждый сосочек в свою очередь
состоит из вкусовых почек, или луковиц. Вкусовая луковица состоит из двух рядов клеток:
опорных и собственно вкусовых, которых приходится на одну луковицу около 20.
вкусовая клетка имеет вкусовые волоски, которые выходят через пору в жидкую среду на
поверхность языка.
Вкусовые клетки непрерывно делятся, и время жизни клетки
составляет несколько дней.
На рецепторных мембранах вкусовых клеток расположены белки, которые и
являются активными рецепторными центрами.
Вкусовые вещества принято делить на 4 группы: кислые, соленые, горькие и
сладкие. Предполагают, что при взаимодействии вкусовых веществ происходит изменение
конформации рецепторных молекул, которое лежит в основе последующих процессов
формирования
рецепторных
потенциалов
и
потенциалов
действия,
передающих
информацию в центральную нервную систему. Исследование вкуса у человека показало
его зависимость от многих факторов: самого вещества и концентрации, температуры,
возраста, патологических процессов в организме. При многих заболеваниях наблюдается
понижение вкусовой чувствительности или извращения вкуса, реже - полная потеря.
При длительном действии (секунды, минуты) вкусового раздражителя происходит
увеличения порога чувствительности или вкусовая адаптация. Выделяют гомогенную (при
воздействии на рецепторы одним веществом) и гетерогенную (перекрестную) вкусовые
адаптации. Последняя связана с изменением возбудимости, когда раздражение одним
вкусовым веществом, например кислотой, вызывает изменение возбудимости к другому,
например к сахару.
Кожный анализатор
Кожа состоит из трех основных слоев: эпидермиса, дермы и гиподермы. Эти слои
связаны достаточно плотно и четко выраженной границы между ними нет, что
обеспечивает не только механическую прочность кожи, но и её другие функциональные
особенности. В эпидермисе выделяют до 5 различных слоев. В зависимости от
локализации кожного покрова число слоев и их толщина могут существенно меняться.
Например, в области век толщина эпидермиса варьируется от 60 до 90 мкм, а в области
125
ладоней и подошв от 0.5 до 0.8 мм. В эпидермисе по мере удаления от поверхности в
глубь кожи - расположены роговой, блестящий, зернистый, шиповидный и базальный(
основной) слои. Базальный слой - самый глубокий и граничит непосредственно с дермой.
Он состоит из одного ряда плазматических (цилиндрических) клеток, которые отделены
друг от друга узкими щелевыми канальцами. Кроме этих клеток в базальном слое
находится небольшое число ветвистых клеток с многочисленными отростками, которые
оплетают призматические клетки всех вышестоящих слоев. Кроме того, в протоплазме
клеток базального слоя находится пигмент- меланин, располагающийся в виде
коричневых зерен различной величины. Меланин защищает кожу от повреждающего
действия солнечного света благодаря сильному поглощению уф части спектра.
Шиповидный слой, расположен над базальным, состоит из 5…10 рядов клеток,
которые в глубине имеют кубическую форму, а по мере приближения к зернистому слою
становятся плоскими. В шиповидном слое находится и ряд других клеток, имеющих
многочисленные отростки. Клетки шиповидного слоя без резких границ переходят в
зернистый слой, который содержит от одного до 2…4..рядов клеток, вытянутых
параллельно поверхности эпидермиса. Блестящий слой расположен выше зернистого и
состоит из клеток вытянутой формы, содержащих белковое вещество (элеидин). Сильно
преломляющее свет.
Терморецепция. Одним из важных механизмов обеспечения жизнедеятельности
теплокровных животных является система поддержания постоянства температуры
внутренней части тела (ядра) независимо от температуры окружающей среды . ядро тела
включает полости внутренних органов, головной мозг и часть мышц. По всему кожному
покрову и на разном удалении от поверхности кожи расположены терморецепторы,
представляющие собой нервные образования, которые реагируют на изменения
температуры внешней среды. Сигналы терморецепторов поступают в центр регулирования
температуры, и после обработки полученной информации преобразуются в управляющие
сигналы для исполнительных органов через регулирующую систему. Исполнительная
система содержит мышцы, потовые железы, органы дыхания, систему кровообращения.
Отдельно
следует
выделить
канал
поведенческой
реакции,
который
позволяет
индивидууму создать более комфортные условия, изменить климатические условия. В
результате работы всего комплекса обеспечивается поддержания постоянства внутренней
температуры тела.
При интенсивном охлаждении или нагревании тела возбуждаются холодовые или
тепловые рецепторы, от которых сигналы поступают в центр регулирования температуры,
126
и вызывает ряд ответных реакций организма. В результате больше тепла сохраняется
внутри
организма,
поскольку
система
кровообращения
является
универсальным
теплообменником. Одновременно через систему двигательных нервов увеличивается
выделение тепла в мышцах. Это происходит за счет увеличения напряжения мышц и
мышечной дрожи, а также за счет разогревающих движений. Кроме того, увеличение
теплопродукции происходит благодаря усилению обмена веществ во внутренних органах.
Повышение внешней температуры вызывает обратные процессы: расширение
кровеносных сосудов, учащенное дыхание, усиленное потоотделение, за счет чего
увеличивается испарение и, следовательно, теплоотдача.
Расположение терморецепторов на поверхности тела обеспечивает включение
регуляторных механизмов до того, как температурные изменения достигнут ядра тела.
Терморецепторы кожи реагируют не только на знак и величину изменения внешней
температуры, но и на скорость изменения, т. е на производную по времени. Благодаря
этому при быстрых температурных возмущениях возможна особенно интенсивная
регуляция. Терморецепторы реагируют прежде всего на абсолютные изменения
температуры. При условии, что температурный порог достигнут, они реагируют и на
значения производных температуры по времени: быстрое охлаждение вызывает
значительно большее увеличение частоты потенциалов действия, чем медленное. Роль
терморецепторов могут выполнять инкапсулированные и свободные нервные окончания.
Тактильная чувствительность обеспечивается инкапсулированными и свободными
нервными окончаниями. Тельца Мейснера считаются рецепторами давления из-за их
расположения
в
коже
и
большой
концентрации
в
областях
высокой
механочувствительности (ладони, губы) рецепторами давления служат и тельца ФатераПачини, что доказано экспериментально. Для всестороннего исследования кожной
чувствительности нужно определить не только характер раздражения и его интенсивность,
но и другие условия исследования, например размеры раздражаемой поверхности,
скорость, с которой прикладываются раздражения, их последовательность и частоту, а
также факторы внешней среды. Наиболее чувствительными являются губы, кисти рук,
менее чувствительна кожа живота и спины. Чувство давления зависит не только от
ощущения прикосновения, но и от других сложных ощущений, в основе которых лежит
механическая деформация кожного покрова. Например, вибрация и щекотка являются
разновидностями чувства давления.
127
Рецепторы мышц и суставов
Чувство движения и положения тела и его частей в пространстве, мышечное
чувство, или проприорецепция, т.е. ощущение напряжения или расслабления мышц,
относятся к двигательному анализатору. Но рецепторные аппараты суставной и мышечной
систем отличаются, хотя зачастую и дополняют друг друга. Рецепторы двигательного
анализатора заложены в сухожилиях, связках и суставных поверхностях, рецепторы мышц
непосредственно контактируют с мышечными образованиями.
Рецепторы двигательного анализатора представляют собой три типа образований. В
соединительнотканной капсуле суставов расположены ветвящиеся нервные окончания
диаметром 7...10 мм. Расположение и свойства этих рецепторов позволяют придать им
основную функцию, связанную с информацией об устойчивом положении суставов, о
направлении, скорости и амплитуде движения суставных поверхностей. Чувствительность
и быстродействие их высоки. Рецепторы второго типа расположены вблизи суставных
связок. Их свойства аналогичны первым и эти оба типа рецепторов медленно
адаптируются. Третий тип рецепторов суставов расположен в соединительной ткани,
окружающей сустав, они быстро адаптируются и от них отходят самые крупные
афферентные волокна суставных нервов.
Комплекс рецепторов суставов (совместно с рецепторами мышц) обеспечивает
формирование сигналов об ощущении движения и степени напряжения, которое
добавляется при сопротивлении движению, например, при подъеме тяжелого груза или
нарушении кровообращения. Восприятие движения конечностей зависит от стимуляции
рецепторов суставов, а не мышц или кожи. Доказано это было путем воздействия
кокаином на последние (кокаин обладает местным анестезирующим действием), при этом
оценка положения и движения сустава сохранялась. Пропускание же электрического тока
через сустав существенно нарушало эту оценку. Измерение пороговой чувствительности
смещения суставов (при скорости смещения 0,3 о/с) показало, что у человека самым
чувствительным является плечевой сустав (0,2…0,4о), а наименее чувствительным –
голеностопный (1,2…1,3о).
Рецепторы мышц представляют собой закрученные в виде спирали вокруг
мышечного волокна нервные окончания, лишенные миелиновой оболочки. В покойном
состоянии мышцы рецепторного потенциала в нервном окончании нет. при растяжении
мышцы витки спирали отходят друг от друга и в них возникает деполяризация, т.е.
рецепторный
потенциал,
который
обусловлен
128
открыванием
натриевых
каналов,
чувствительных к механической деформации мембраны окончания нервного волокна.
Этот потенциал создает локальный ток, идущий через ближайшие перехваты Ранвье того
же нервного волокна, что приводит к генерации потенциалов действия.
Чем сильнее растянута мышца, тем больше рецепторный потенциал и тем чаще
генерируются потенциалы действия. Таким образом, одним и тем же участком аксона
осуществляется преобразование механического перемещения в рецепторный потенциал и
трансформация последнего в потенциалы действия нервного волокна.
129
МИНОБРНАУКИ РОССИИ
Санкт-Петербургский государственный электротехнический
университет “ЛЭТИ” им. В. И. Ульянова (Ленина)
БИОФИЗИКА
Учебно-методические материалы для лабораторных занятий
Санкт – Петербург
Издательство СПбГЭТУ «ЛЭТИ»
2011
1. ИССЛЕДОВАНИЕ СВЕТОВОЙ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ
ЗРИТЕЛЬНОГО АНАЛИЗАТОРА, АДАПТИРОВАННОГО
К ТЕМНОТЕ
Цель работы: экспериментальное исследование световой чувствительности
зрительного анализатора во время длительного пребывание в темноте.
1.1. Общие положения
Минимальная освещенность объекта, которая может быть замечена наблюдателем,
называется порогом чувствительности зрительного анализатора или пороговой яркостью.
Порог чувствительности зависит от освещенности, которой подвергался глаз ранее. После
прекращения освещения глаза, порог его чувствительности увеличивается со временем.
График зависимости величины порога от времени пребывания в темноте называется
кривой темновой адаптации.
Наиболее полно состояние «ночного зрения» можно определить при длительном
(не менее 60 минут) пребывании в темноте. Подобные исследования проводятся с целью
профессионального отбора (для работы на транспорте, в специальных цехах на
производстве и т.п.), а также с целью диагностики различных заболеваний.
1.2. Описание лабораторной установки
Лабораторная работа выполняется с использованием адаптометра АДМ, который
дает возможность всестороннего определения состояния «ночного зрения», обеспечивает
получение результатов в течение короткого времени, а также исследование хода
нарастания световой чувствительности во время длительного пребывания в темноте.
Основные характеристики адаптометра АДМ
Пределы изменения яркости испытательного объекта: 7…1,7510-8 кд/м2.
Яркость стенок шара для предварительной адаптации: 795; 397,5; 198,75; 99,375;
19,875 кд/м2.
Светопропускание каждого из 4 светофильтров-затемнителей: 5%.
Светопропускание дополнительного светофильтра-затемнителя: 1%.
Размеры знаков испытательных таблиц соответствуют различной остроте зрения: с
1 по 7 ряд – от 0,1 до 0,7; 8 ряд – 1,0.
Принцип работы прибора
Оптическая схема адаптометра АДМ приведена на рис. 1 и содержит следующие
132
элементы: 1 – лампа адаптометра; 2 – конденсор; 3 – светофильтр дневного света; 4 –
молочная пластина; 5 – измерительная диафрагма; 6 – измерительный барабан; 7 – диск из
молочного стекла; 8 – диск с фигурами и таблицами; 9, 10, 11, 12 – сменные нейтральные
светофильтры; 13 – дополнительный светофильтр; 14 – фиксационная точка; 15 –
пластина; 16 – зеркало для подсветки фиксационной точки; 17 – нейтральный круговой
клин; 18 – матовая пластинка-экран; 19 – шар для предварительной адаптации; 20 – лампа
для подсветки шара; 21 – заслонка шара; 22 – резиновая полумаска; 23 – отверстие
фиксационной точки; 24 – отверстие для наблюдения глаз исследуемого; 25 – отверстие
ослепителя; 26 – заслонка для наблюдения глаз; 27 – лампочка ослепителя; 28 – конденсор
ослепителя; 29 - диафрагма ослепителя; 30 – линзы ослепителя; 31 – призма ослепителя;
32 - отверстие, через котороепредъявляются объекты; 33 – сменные фильтры различной
плотности для изменения яркости внутренней поверхности шара.
27
33
20
28
26
29
30
25
31
24
23
18
14 15 16
17
7
8
22
21
32
19
5
6
9 11
13 10 12
4
3
2 1
Рис. 1. Оптическая схема адаптометра
Лучи света от лампы 1 проходят через кондесор 2, светофильтр дневного света 3,
молочную пластинку 4 и попадает на квадратную измерительную диафрагму 5, стороны,
а, следовательно, и площадь которой меняются при вращении барабана 6. Далее световой
поток попадает на диск 7 из молочного стекла, который является фоном испытательного
объекта.
На темном фоне большого диска 8 нанесены три прозрачные фигуры (круг, квадрат
133
к крест) и три различные по расположению знаков таблицы для проверки остроты зрения.
Проворачивая диск 8 и устанавливая перед молочным стеклом 7 ту или иную фигуру,
можно предъявлять пациенту испытательные объекты различной формы или таблицу.
Площадь испытательного объекта всех трех фигур (круга, квадрата и креста) – одинакова.
Исследуемый через окно резиновой полумаски 22 в шаре 19 видит равномерно
освещенный испытательный объект. Освещенность эта плавно меняется при раскрытии и
закрытии измерительной диафрагмы 5. Светопропускание диафрагмы характеризуется
соотношением S/S0, где S – величина площади диафрагмы при данном положении, а S0 –
полное раскрытие диафрагмы.
На
барабане
нанесена
логарифмическая
шкала
оптических
плотностей,
соответствующих светопропусканию диафрагмы при каждом положения барабана. В табл.
1 приведены значения светопропускания Е в процентах, соответствующие оптическим
плотностям D шкалы барабана.
Таблица 1.
D
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
1,1
1,2
1,3
1,4
E, %
100
79
63
50
40
32
25
20
16
13
10
8
6
5
4
Если степень понижения яркости объекта при помощи измерительной диафрагмы
оказывается недостаточной, в оптическую схему прибора могут последовательно
включаться дополнительные нейтральные светофильтры 9, 10, 11 и 12. Эти светофильтра
имеют характеристики, указанные в табл. 2. Обозначение светофильтров в данной таблице
указывает общую суммарную оптическую плотность при включении одного, двух, трех и
четырех из них в оптическую схему прибора.
Кроме четырех вышеуказанных светофильтров-затемнителей, в оптическую схему
может быть включен ещё один светофильтр-затемнитель 13, имеющий оптическую
плотность 2 (светопропускание 1%).
Таблица 2.
Номера фильтров
Обозначение
Оптическая
по рисунку
фильтра
плотность
9
1,3
1,3
5 (1/20)
10
2,6
1,3
5 (1/20)
11
3,9
1,3
5 (1/20)
12
5,2
1,3
5 (1/20)
134
Светопропускание, %
Таким образом, если при выключенных светофильтрах-затемнителях 9, 10, 11, 12,
13 и полностью открытой измерительной диафрагме 5 световой поток, попадающий на
испытательный объект, принять за единицу, то при включенных светофильтрах и
минимальном раскрытии измерительной диафрагмы световой поток уменьшится в
400000000 раз.
Несколько выше испытательного объекта расположена фиксационная точка 14,
подсветка которой осуществляется лампой 1 через пластинку 15 и зеркало 16.
Фиксационная точка располагается под углом 12° к линии визирования глаза
исследуемого на центр испытательного объекта. Яркость фиксационной точки может
изменяться практически от нуля до максимума при вращении нейтрального кругового
клина 17.
Как уже указывалось, на диске 8 нанесены испытательные объекты различной
формы, которые последовательно вводятся в оптическую схему прибора поворотом диска
вокруг оси. Испытательными объектами в приборе служат: круг диаметром 29,25 мм;
квадрат со сторонами 25,9 мм; крест; три таблицы с различным расположением знаков для
исследования остроты зрения (размеры знаков рассчитаны для расстояния от таблиц до
глаза исследуемого 25 см). Угловые размеры испытательных объектов (круга, квадрата,
креста) равны 10°, а площадь 672 мм2 каждого.
Схема устройства для предварительной световой адаптации
Устройство для предварительной световой адаптации представляет собой шар 19
(см.
рис.
1),
диаметром
200
мм,
покрытый
внутри
белой
матовой
эмалью,
обеспечивающей постоянство коэффициента отражения стенок шара. Источником света
является лампа 20. Благодаря многократному отражению лучей света от стенок шара
освещенность последнего получается равномерной. В задней стенке шара имеется
отверстие 32, через которое предъявляются испытательные объекты. Во время
предварительной световой адаптации это отверстие закрывается заслонкой 21, покрытой
той же эмалью, что и стенки шара.
В передней части шара имеется отверстие для наблюдения испытательных
объектов, вокруг этого отверстия укреплена мягкая резиновая полумаска 22. В шаре
имеются отверстия: 23 для фиксационной точки, 24 для наблюдения за глазами
исследуемого во время предварительной световой адаптации (это отверстие может
закрываться заслонкой 26) и 25 для прохождения лучей света от слепящего устройства.
Яркость шара может уменьшаться в 2, 4, 8 и 40 раз при помощи набора
нейтральных фильтров 33 различной плотности, включаемых попеременно перед лампой
20.
135
Схема слепящего устройства
Источником света слепящего устройства служит лампа 27. Лучи света от нее,
проходя через конденсор 28, освещают две круглые диафрагмы 29. Диафрагмы через
систему линз 30 и призму 31 проектируются в плоскости расположения зрачков
исследуемого в два ярких круга так, что при включении слепящего устройства в оба глаза
исследуемого попадают яркие пучки света.
Конструкция адаптометра
Адаптометр АДМ состоит из штатива с электропультом. На штативе укреплен шар
для предварительной световой адаптации и жестко соединенное с ним измерительное
устройство.
На передней стенде корпуса пульта расположены: главный выключатель сети,
выключатель лампы подсветки секундомера и пластинки для записи результатов, а также
рукоятки шторки, затемняющей подсветку пластинки дав записи результатов.
На верхней панели расположен переключатель, который в положении «ИЗМЕР.»
включает лампу адаптометра, а при установке в положение «ШАР» включает лампу шара
предварительной световой адаптации. Второй выключатель включает лампу слепящего
устройства.
Кроме того, на верхней панели расположены: окно секундомера, кнопка для
включения секундомера и пластинка для записи результатов исследования.
1.3. Порядок проведения работы
Поворотом барабана 8 перед отверстием шара устанавливается испытательный
объект круг, отверстие 32 закрывается заслонкой 21 так, чтобы указатель стал против
надписи «ЗАКР». Заслонки правого и левого глаз отводятся в стороны.
Перед началом исследования испытуемому объясняется порядок исследования,
которое состоит в следующем. Испытуемого усаживают на стул, он должен приложить
лицо к резиновой полумаске, на голову следует надеть ширму. Далее перед началом
исследования испытуемый в течение 10 мин смотрит на освещенную поверхность шара;
закрывать глаза в это время нельзя. Через 10 минут выкликается свет, и испытуемый
видит красную точку (показать фиксационную точку). Затем все время следует смотреть
на эту точку, и как только появится светлое пятно (показать испытательный объект),
испытуемый должен сказать об этом. Переводить взгляд с красной точки на светлое пятно
нельзя, так как это повлияет на результаты исследования. Исследование длится в течение
60 мин.
136
Испытуемый подготовлен к проведению исследования. Переключатель на пульте
ставится в положение «ИЗМЕР», главный выключатель включен.
В
оптическую
схему
включается
дополнительный
светофильтр
13
со
светоиспусканием 1/100; поворотом барабана 6 измерительная диафрагма 5 закрывается
до деления 1,4 по шкале барана. Поворотом барабана основные светофильтры 9, 10, 11, 12
выключаются (в квадратном окошке индекса должна стоять цифра 0).
По заданию преподавателя светофильтрами 33 устанавливается та или иная
яркость шара предварительной адаптации. При клинических исследованиях обычно
устанавливают светофильтр с индексом 1/2, что соответствует яркости стенок шара 397,5
кд/м2.
Переключатель на пульте переводится в положение «ШАР». Одновременно
включается секундомер. Исследуемый в течение 10 минут должен смотреть на
освещенную поверхность шара. На 89-й минутах световой адаптации исследуемому
напоминают о том, как он должен смотреть в темноте и какие моменты отмечать.
По истечении 10 минут переводом переключателя в положение «ИЗМЕР»
выключается свет в шаре и включается лампа адаптометра. Рукоятка заслонки 21 шара
отводится в сторону, открывая окно 32 для наблюдения испытательного объекта
(указатель при этом должен находиться в положении «ОТКР»). Сразу вслед за этим
медленным и плавным движением поворачивается барабан 6 измерительной диафрагмы 5
до тех пор, пока исследуемый не скажет, что видит появление светового пятна
(испытательного объекта).
Если испытательный объект различается при установке по барабану деления более
1,3, следует включить первый фильтр-затемнитель (в прямоугольном окошке индекса
должна стоять цифра 1,3), а раскрытие диафрагмы продолжается до различения
исследуемым
испытательного
объекта.
После
двукратного
определения
порога
чувствительности движение маховика измерительной диафрагмы прекращается и
записывается отсчет по шкале и число в прямоугольном окошке индекса.
Определение порогов производится через 5 минут в течение 1 часа. По окончании
всего исследования прибор выключается.
Записанные
результаты
оптических
плотностей
фильтров-затемнителей
и
измерительной диафрагмы суммируются для каждого измерения и по ним строится
график.
137
1.4. Требования к отчету
Отчет должен содержать определение исследуемой характеристики зрительного
анализатора, краткое содержание методик исследования, результаты исследования в виде
кривых для каждого испытательного объекта и выводы по работе.
138
2. ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЗМОВ АДАПТАЦИИ
ЗРИТЕЛЬНОГО АНАЛИЗАТОРА
Цель работы: экспериментальное исследование остроты зрения при ослабленном
освещении и во время ослепления зрительного анализатора человека, а также световой
чувствительности «ночного зрения» в течение короткого времени.
2.1. Общие положения
Порог чувствительности фоторецепторов глаза зависит от освещения, которому
они подвергались ранее. Непосредственно после прекращения освещения глаза этот порог
оказывается
довольно
большим
и
его
величина
убывает
со
временем
по
логарифмическому закону, так как процесс восстановления фоточувствительности SФ
следует общим законам химических ре-акций: скорость образования фотопигмента
(родопсина) пропорциональна концентрации его компонентов. График зависимости
величины порога от времени пребывания в темноте называется кривой темновой
адаптации.
Углом зрения называют угловое расстояние между двумя точками объекта, т.е.
угол, образованный двумя лучами света, выходящими из этих точек сходящимися в
центре хрусталика. Угол зрения обратно пропорционален расстоянию между объектом и
глазом. Остротой зрения называют способность глаза видеть раздельно две точки объекта.
За меру остроты зрения принимает величину, обратную тому углу зрения (в угловых
минутах), при котором еще можно видеть раздельно две близкие точки предмета. Для
нормального глаза этот угол приблизительно равен одной угловой минуте.
Определение
состояния
так
называемого
«ночного
зрения»
(световой
чувствительности и остроты зрения при ослабленной освещенности) имеет очень большое
значение дня диагностики ряда заболеваний (гиповитаминоз, состояние после ушиба
головы, атрофия зрительного нерва, пигментное перерождение сетчатки и пр.), а также
для профессионального отбора (при работе в Заполярье, на транспорте, при естественном
освещении и др.). При исследовании зрения водителей транспорта важно определение
скорости нарастания чувствительности зрения к малым яркостям непосредственно после
воздействия
яркого
источника
света.
Весьма
существенно
также
определение
чувствительности центрального зрения («остроты зрения») во время и после воздействия
на глаз светового луча.
139
2.2. Порядок проведения работы
Для
получения
разносторонней
характеристики
зрительного
анализатора
рекомендуется проведение исследований отдельно для каждого глаза в следующем
порядке:
Предварительная световая адаптация
2 мин.
Исследование чувствительности периферии сетчатки
1 мин.
Предварительная световая адаптация
1 мин.
Исследование остроты зрения
1 мин.
Исследование остроты зрения во время
действия яркого света
1 мин.
Кратковременное исследование «ночного зрения» основано на определении
времени между окончанием световой адаптации и моментом, когда будет замечен объект
заданной яркости. Исследование производится в комнате, не освещаемой прямыми
лучами солнца. Если исследуемый непосредственно перед опытом находился на ярком
солнечном свете, то его следует на 15-20 мин поместить в комнате с общим
искусственным освещением или при естественном освещении без прямых солнечных
лучей.
Поворотом выключателя включается цепь прибора и шара для предварительной
адаптации. Поворотом рукоятки отверстие шара закрывается (указатель должен
находиться в положении «ЗАКР»). Переключатель ставится в положение «ИЗМЕР».
Поворотом барабана устанавливается тот или иной испытательные объект (круг, квадрат,
крест). Барабаном выключаются все филътры-затемнители (в прямоугольном окошке
индекса должна стоять цифра 0). Рукоятка с дополнительным фильтром 1/100 ставится в
положение «ВКЛ». Поворотом барабана измерительная диафрагма устанавливается на
деление 1,1. Включается полная яркость шара для предварительной световой адаптации,
т.е. рукояткой устанавливается цифра 1 против индекса.
Обследуемому предлагается сесть на стул и прижать лицо к резиновой полумаске.
Переключатель переводится в положение «ШАР», и одновременно включается
секундомер. Исследуемый должен смотреть на освещенную поверхность шара. Закрывать
глаза не разрешается. Наблюдение за глазами исследуемого осуществляется через
отверстие в шаре.
Исследуемому напоминают, что после выключения света в шаре он должен
смотреть на красную фиксационную точку и сказать, когда появится светлое пятно, а
после этого назвать его форму.
140
По истечении двух минут лампа, освещавшая шар, выключается, головка
секундомера нажимается три раза (остановка секундомера, сброс и вновь включение
секундомера), заслонка отводится в сторону (указатель становится в положение «ОТКР»).
Как, только исследуемый скажет, что заметил объект, отмечается время, и
секундомер останавливается.
Обычно липа, обладающие нормальным полным зрением, при плотности 1,1
замечают объект не более чем через 40-50 с, после выключения освещения шара яркостью
795 кд/м2. Увеличение времени, необходимого для различения объекта на 10 с требует
повторного исследования; увеличение времени на 20 с и более указывает на то, что
исследуемый обладает пониженным «ночным зрением».
Исследование повторяется при других степенях раскрытия диафрагмы и различных
яркостях предварительной адаптации. Контролируют правильность показаний сменой
объекта (круг, квадрат, крест).
Соотношение между временем различения в зависимости от степени раскрытия
диафрагмы и яркости шара представлено в табл. 3. Следует иметь в виду, что при
выключенном светофильтре 1/100 и суммарной (основной светофильтр + диафрагма)
плотности менее 1,5 яркость объекта достаточна для различения его центральной
сетчаткой. Следовательно, освещенный таким образом объект должен различаться при
любой степени понижения «ночного зрения». Время различения в этом случае обычно не
превышает 10 с.
Таблица 3.
Яркость шара,
кд/м2
Оптическая плотность по шкале
0
0,5
1,0
1,1
1,2
1,3
Время, с.
795
3-5
7-15
20-30
40-50
50-60
55-120
397,5
2-4
3-4
10-15
20-30
25-40
25-45
198,75
2-4
2-4
5-8
10-15
12-20
12-20
99,375
2-4
2-4
2-5
5-10
12-20
12-20
Сопоставляя
результаты
исследований
при
различных
яркостях
после
предварительной адаптации и степени раскрытия измерительной диафрагмы, можно
убедиться в достоверности показаний исследуемого.
Определение остроты зрения при ослабленном освещении применяется главным
образом для лиц в возрасте до 30 лет, обладающих небольшими степенями
141
дальнозоркости (до +1.5 диоптрий) или близорукости (до 3,0 диоптрий), а также при
других нарушениях зрения.
Это исследование основано на определении времени, необходимого для
различения знаков таблиц после адаптации к яркому свету.
Главным выключателем включается пульт. Переключателем включается лампа
адаптометра. Рукояткой выключается дополнительный светофильтр 1/100. Поворотом
барабана светофильтры-затемнители полностью выключаются (в прямоугольном окошке
– цифра 0). Поворотом барабана устанавливается одна из трех таблиц для измерения
остроты зрения. В таблицах расположены ряды цифр, соответствующие остроте зрения:
0,1; 0,2; 0,3; 0,4; 0,5, 0,6; 0,7 и 1,0. В каждой из трех таблиц расположение цифр различно.
Исследователь,
наблюдая
в
окно
изображение
включенной
таблицы,
может
контролировать показания исследуемого.
Измерительная диафрагма полностью открывается (нулевое деление шкалы
совпадает с индексом – прямой линией). При этом положения проверяется, чтобы острота
зрения исследуемого была не ниже 0,7. Если острота зрения равна или менее 0,7, то
требуется коррекция глаз исследуемого и все дальнейшее исследование производится с
очками.
После проверки остроты зрения поворотом барабана устанавливается фильтрзатемнитель 1,3; измерительная диафрагма ставится в положение 0,5. Суммарный отсчет
1,8. Поворотом рукоятки отверстие шара закрывается. Включается лампа, освещающая
шар, и дается полная яркость. Исследуемому предлагают в течение двух минут смотреть
на белую поверхность шара.
Перед началом или во время световой адаптации исследователь объясняет, что
после выключения света все погрузится в темноту. Однако вскоре освещение таблицы
увеличится, и можно будет видеть на ней сначала черные точки, а затем цифры. По мере
появления цифр исследуемый должен читать их вслух слева направо.
После окончания световой адаптации свет в шаре выключается и включается лампа
адаптометра. Поворотом рукоятки отверстие шара открывается. Через небольшое время
исследуемый начинает различать и называть знаки таблицы. Время с момента окончания
световой адаптации до момента, когда острота зрения достигает 0,1; 0,3; 0,4; 0,5,
записывается или отмечается на графике. Исследование продолжается 60…70 с, и за это
время острота зрения должна достичь 0,5-0,6.
В табл. 4. представлены данные о значениях «зоны времени» при исследовании
остроты зрения в случае ослабленного освещения.
142
Таблица 4.
Острота зрения
Время различения, с
Минимум
Максимум
0,1
3
5
0,2
10
15
0,3
17
30
0,4
30
50
0,5
60
72
0,6
85
100
Для определения остроты зрения во время ослепления исследование проводится
непосредственно после окончания предыдущего, повторять световую адаптацию не
следует. После того, как в предыдущем исследовании исследуемый прочел знаки 5-и 6-й
строки, включается лампа «ослепитель». Правильность попадания света в оба глаза
исследуемого контролируется через отверстие в шаре, яркие пучки света должны падать
на центральную часть роговицы обоих глаз. Дополнительный светофильтр 1/100
выключается. Устанавливается нулевое положение измерительной диафрагмы, а
светофильтры-затемнители выключаются.
Исследуемому предлагается смотреть на таблицы, а не на источник света.
Исследование производится по пяти последовательно уменьшающимся уровням яркости
таблиц (светофильтр 1/100 выключен). Суммарные плотности светофильтров и
измерительной диафрагмы устанавливаются равными 0; 1; 1,3; 1,7; 2,0. При этом человек,
обладающий нормальной чувствительностью к яркому свету, должен в первом случае
видеть цифры всех строк, во втором 5-й или 6-й, в третьем 4-й, в четвертом 1-й или 2-й
м в пятом 1-й строки.
Рекомендуется включать ослепитель на 30 с. Человек, обладающий нормальной
чувствительностью к яркому свету, увидит знаки 5-й строки не позднее, чем через 60 с
после выключения ослепителя.
2.3. Требования к отчету
Отчет должен содержать определение исследуемых характеристик зрения,
результаты исследований в виде графиков и таблиц и выводы.
143
3. ИССЛЕДОВАНИЕ ОСТРОТЫ
СТЕРЕОСКОПИЧЕСКОГО ЗРЕНИЯ ЧЕЛОВЕКА
Цель работы – оценка порогов глубинного зрения человека, с использованием
анаглифического метода формирования стереоскопических стимулов на плоских экранах.
3.1. Общие положения
Способность к объемному, глубинному зрению имеет важнейшее значение для
жизнедеятельности человека, являясь необходимым условием для многих профессий,
требующих точной оценки расстояния до объекта: водитель, летчик, гимнаст и др. У
животных схема построения органа зрения зависит от способа существования.
Большинству хищников, например, во время охоты необходимо точно определять
расстояние до своей жертвы, в связи с чем, способность к стереоскопическому зрению
является для них жизненно важной функцией. Напротив, для животных–жертв гораздо
важнее как можно раньше заметить хищника, что достигается за счет как можно более
широкого поля зрения.
Возможность зрительной системы человека к объемному восприятию окружающей
нас действительности определяют две группы факторов:
– первичные (врожденные), основанные на использовании бинокулярного зрения;
– вторичные (эмпирические), позволяющие оценить глубину наблюдаемого
объекта по косвенным признакам, доступным при монокулярном восприятии (при этом,
как правило, используется накопленный человеком опыт ориентации в пространстве).
В последнем случае человек подсознательно оценивает:
расстояние до предмета на основе информации о его размерах (чем меньше
объект, тем он дальше);
порядок наложения предметов друг на друга (тот, который выше, – ближе);
глубину пространства за счет использования эффекта перспективы – визуального
сближения параллельных линий, уходящих вдаль;
световые блики на предмете;
ощущение протяженности пространства, возникающее благодаря рассеивающему
действию воздушной дымки и ослаблению воспринимаемого контраста наблюдаемых
объектов по мере увеличения расстояния до них (воздушная перспектива).
Вторичные факторы объемного восприятия лежат в основе технологии создания
трехмерных компьютерных изображений, формируемых на плоских экранах (так
144
называемой
3D
реалистичность
графики).
Использование
создаваемых
зрительных
этих
образов,
факторов
заметно
однако
обеспечивает
не
улучшает
так
называемого эффекта присутствия. Для создания же изображений, наиболее полно
отражающих предметы
реального
мира
необходимо
задействовать
возможности
бинокулярного зрения (то есть первичные факторы).
В процессе бинокулярного восприятия можно условно выделить три этапа:
– конвергенция – пересечение оптических осей обоих глаз на наблюдаемом
объекте;
– аккомодация – фокусировка изображений от рассматриваемого объекта на
сетчатках глаз путем изменения силы оптических элементов глазных яблок;
– фузия – слияние изображений, полученных на сетчатках левого и правого глаза в
единый пространственный образ.
При наблюдении точечного объекта (например, точки N на рис. 2.) оптические оси
глаз пересекаются на нем. Угол , под которым они пересекаются, называется углом
конвергенции (параллактическим углом). Ощущение глубины объекта вызвано тем, что
при наблюдении удаленных на разное
M
расстояние от наблюдателя точек M и Q
N
M
углы конвергенции M и Q оказываются
Q
Q
различными. Разность = M - Q
называется
угловым
Минимально
различимый
min
параллакс
параллаксом.
угловой
называется
порогом
глубинного зрения, а величина обратная
min
qл
nл mл
–
остротой
(стереоскопического
qп nпmп
Рис. 2. Схема определения углового
параллакса
глубинного
зрения).
В
норме
min
составляет
в
Наличие
углового
параллакса
величина
среднем
10…20.
приводит к тому, что длины отрезков mлqл и
mпqп, являющихся проекциями отрезка MQ на сетчатку каждого глаза, оказываются
различными. Следовательно, различны и возбуждения рецепторов обоих глаз. В
результате анализа этих возбуждений головным мозгом у человека формируется
ощущение объемности объекта, то есть он получает возможность оценивать размер
объекта по глубине.
145
По различным данным, от 2 до 6% людей не обладают стереоскопическим зрением
и еще около 10% имеют различные отклонения от нормы.
Для формирования на плоских экранах изображений, имеющих глубинную
протяженность, применяются различные инструментальные методы, позволяющие
задействовать первичные факторы стереовосприятия. Общий принцип достижения
результата заключается в формировании так называемой стереопары (двух изображений
одного и того же объекта) с последующим их раздельным предъявлением каждому глазу.
Разделение (сепарация) элементов стереопары может быть осуществлена одним из трех
способов:
– временной селекции (например, затворным методом);
– спектральной селекции (например, поляризационным или анаглифическим
методом);
– комбинированным методом.
Затворный метод формирования стереоскопических изображений использует
принцип отображения элементов стереопары на экране по очереди. Между каждым глазом
и экраном, размещаются устройства, выполняющие функции затвора. Синхронно со
сменой элементов стереопары эти устройства становятся оптически непрозрачными,
перекрывая поле зрения соответствующего глаза. В качестве затворов выступают, как
правило,
специальные
очки,
поляризационные
очки).
пространственной
глубины
На
программно
данный
изображения
момент
управляемые
ПЭВМ
(активные
подобный
принцип
получения
наиболее
дешев
и
доступен
любому
пользователю. К сожалению, следует признать, что использование 3D очков, не позволяет
полностью отключить один глаз из зрительного акта, за счет того, что используемый
поляризационный светофильтр даже после изменения своей плоскости поляризации
пропускает часть падающего на него излучения. Несмотря на то, что данный световой
поток незначителен по мощности, ослабленное изображение «соседнего» элемента
стереопары попадает на другой глаз, и кроме полезного изображения могут возникнуть
его «тени». В нормальных (далеких от пороговых) условиях функционирования
зрительной системы данный эффект незначителен и им можно пренебречь.
146
B*
Bп
Bл
C*
плоскость
Aп
Aл
экрана
A*
Рис. 3. Формирование изображений точек
в пространстве стереоизображения
*
*
A , B , C* – воспринимаемые изображения точек
При спектральном методе поляризационной селекции каждый элемент стереопары
должен иметь различную (обычно перпендикулярную друг относительно друга) плоскость
поляризации
световой
волны.
Пользователь
системы
одевает
пассивные
(не
подключаемые к ПЭВМ) очки, со специальными поляризационными стеклами, одно – с
вертикальной поляризацией, а другое – с горизонтальной. В результате каждый глаз видит
только свой образ. На практике с данным принципом работы можно ознакомиться,
посетив стереокино. Метод поляризационной селекции прост и удобен, однако для его
осуществления нельзя использовать стандартный дисплей компьютера, а приходится
применять специализированные (3D) мониторы, к которым, в частности относятся
плоскопанельные мониторы на основе жидко-кристаллических (ЖК) экранов и ЭЛТмониторы, оборудованные встроенными или внешними поляризационными ЖКфильтрами.
Часто используемые в медицинской практике красно-синие, красно-зеленые или
красно-синие-зеленые очки (вместо стекол применяются красный и синий/зеленый
светофильтры) также позволяют получить необходимое разделение полей зрения для
каждого глаза. Это возможно, если на экране компьютера формируются только стимулы
однотонных цветов, в соответствии с используемым цветом стеклянных или пластиковых
светофильтров. По сравнению с красно-зелеными, красно-синие очки обеспечивают более
качественный стереоэффект, поскольку длины волн красного и синего цветов оптических
излучений более разнесены по спектру, чем красного и зеленого. Следует однако
147
заметить, что данный метод хотя и является наиболее простым с точки зрения
используемой аппаратуры, но обладает, при этом, двумя существенными недостатками:
– плохая цветопередача формируемых зрительных стимулов;
– качество создаваемых изображений значительно уступает качеству, получаемому
при применении других методов селекции.
Комбинированный
метод
селекции
элементов
стереопары
заключается
в
совмещении в одном устройстве поляризатора и затвора. При функционировании
подобных устройств обеспечивается поочередный показ элементов стереопары, каждый
из которых отображается со своей поляризацией. Для получения стереоэффекта
достаточно использовать пассивные поляризационные очки. Реализация данного
принципа является более дорогой и сложной, но позволяет использовать более простые
очки, чем затворный метод.
Описанные
инструментальные
методы
формирования
стереоскопических
изображений с успехом используются в системах медико-биологического назначения для
получения необходимой информации о функциональном состоянии зрительной системы
или для лечебно-терапевтических воздействий, позволяющих восстановить требуемые
параметры органа зрения.
Проблемы отображения глубины пространственной сцены на плоских экранах
тесно связаны с понятием горизонтального параллакса. В случае представления
изображения в виде стереопары, синтезируемый объект (в простейшем случае точка, см.
рис. 2) воспринимается наблюдателем в месте пересечения зрительных осей.
Если элемент стереопары, предъявляемый правому глазу, находится левее второго
элемента формируемого стимула (отрицательный горизонтальный параллакс – на рис. 3
точка А*), то у испытуемого создается ощущение расположенности объекта в
пространстве между наблюдателем и плоскостью изображений.
В противном случае, когда элемент стереопары, предъявляемый правому глазу,
находится правее другого элемента (положительный горизонтальный параллакс – на рис.
3 точка B*), создается визуальное ощущение размещения наблюдаемого объекта за
плоскостью экрана.
Компонуя в одном зрительном образе элементы, как с положительным, так и с
отрицательным
горизонтальным
параллаксом
можно
добиться
высокой
реалистичности передачи глубинной протяженности формируемого изображения.
148
степени
3.2. Методика проведения исследований
Методика исследования остроты стереоскопического зрения, используемая в
данной лабораторной работе, основана на оценке правильности ранжирования тестовых
стимулов по мере их удаленности от наблюдателя.
На каждом этапе измерительной процедуры испытуемому предъявляется три
тестовых стимула, каждый из которых является анаглифической (красносине-зеленой)
стереопарой. Вследствие различной величины горизонтального параллакса у каждого
стимула, они воспринимаются наблюдателем (через соответствующие анаглифические
очки) как разнесенные друг относительно друга по пространственной глубине. Задачей
обследуемого является указать последовательность их расположения в пространстве,
начиная с наиболее удаленного от плоскости экрана. Возможны два варианта тестового
задания:
- все три тестовых стимула имеют отрицательный горизонтальный параллакс
(воспринимаются как расположенные перед плоскостью экрана);
d
элементы
стереопары
зрительные
C
оси
F
линия взора
l
O
E
D
d/2
b/2
b
Рис. 4. Определение угла конвергенции в случае отрицательного
горизонтального параллакса элементов стереопары
b – базис зрения, d – расстояние между элементами стереопары,
l – расстояние от испытуемого до монитора, – угол
конвергенции.
- тестовые изображения обладают положительным горизонтальным параллаксом
(воспринимаются как находящиеся за плоскостью экрана).
149
В первом случае, необходимо указать в первую очередь самый близкий, а в
последнюю самый дальний, с точки зрения наблюдателя, объект. А во втором случае
наоборот, сначала отмечается зрительный образ наиболее удаленный от наблюдателя,
затем тот, который лежит несколько ближе и только после этого указывается самый
близкий объект.
Исследования организованы таким образом, что один из трех стимулов,
именуемый в дальнейшем эталонным, в ходе проведения всего эксперимента остается на
одной и той же пространственной глубине относительно плоскости экрана (величина
горизонтального параллакса dЭ остается неизменной). У двух других (тестовых)
изображений значения горизонтального параллакса (dТ1 и dТ2 соответственно) постепенно
изменяются, приближаясь с уровня своих начальных значений к величине dЭ по заранее
заданному закону. На первом уровне тестирования dТ1 = dЭ + dmax, а dТ2 = dЭ - dmax. В
данной версии программного обеспечения предусмотрен линейный закон изменения
величин dТ1 и dТ2 от начальных до конечных значений с постоянным (минимально
возможным) шагом.
Исследования повторяются N раз при фиксированных уровнях размещения всех
трех стимулов по глубине, после чего определяется вероятность правильного ответа – P.
Если она превышает заданный порог (для данной лабораторной работы в случае если
P80%), происходит расчет новых значений горизонтального параллакса тестовых
изображений, и исследования повторяются. В противном случае – осуществляется
фиксация порогового значения dП = dТ1 - dЭ = dЭ - dТ2, после чего может быть произведен
расчет порога глубинного зрения min.
Для повышения достоверности получаемых результатов взаимное расположение
эталонного и тестовых стимулов меняется на каждом шаге тестирования по случайному
закону.
Приняв некоторые допущения о размещении тестовых изображений на экране
монитора,
можно
вывести
аналитическое
соотношение,
с
помощью
которого
рассчитывается искомая величина.
Например, в случае, представленном на рис. 4, угол конвергенции зрительных осей
, определяется как:
= 180 - 2arctg[(OE + ED)/l] = 2arctg[(b + d)/(2l)]
Предположив, что при вынесении суждения о расположении стереостимулов по
мере их удаленности, наблюдатель ориентируется, в первую очередь, именно на тестовые
стимулы, а не на эталонный, получим:
150
1 = 180 - 2arctg[(b + dэ + dП)/(2l)]; 2 = 180 - 2arctg[(b + dэ - dП)/(2l)],
Следовательно:
min = 2(arctg[(b + dэ + dП)/(2l)] - arctg[(b + dэ - dП)/(2l)])
Работа
ВНИМАНИЕ!
с
анаглифическими
изображениями
не
является
естественной для зрительной системы, что может привести к достаточно быстрому ее
утомлению. В связи с этим рекомендуется ограничивать время постоянного пребывания в
стереоскопических очках до 7…10 минут. После этого работу необходимо прервать и дать
зрительной системе непродолжительный (5…7 минут) отдых. Целесообразно выполнить
также несколько упражнений для релаксации органа зрения.
3.3. Задание по лабораторной работе
1. Внимательно изучите общие принципы стереоскопического восприятия, методы
формирования стереоскопических изображений на плоских экранах и методику
проведения психофизиологических исследований по оценке порогов глубинного зрения.
2. По аналогии с методикой, приведенной выше, выведите аналитическое
выражение (аналогичное формуле 1) для определения остроты стереоскопического зрения
при
использовании
в
процессе
тестирования
зрительных
образов,
имеющих
положительный горизонтальный параллакс.
3. Ознакомьтесь с программным обеспечением и убедитесь в наличии всех
необходимых атрибутов (анаглифические очки, удлинитель (в случае необходимости) для
манипулятора
мышь)
для
успешного
осуществления
психофизиологического
эксперимента.
4. Проведите оценку наличия у обследуемого стереоскопического зрения,
используя соответствующий раздел программного обеспечения. Научитесь правильно
воспринимать изображения, формируемые в виде анаглифической стереопары.
5. Осуществите оценку минимально различимого углового параллакса, используя
тестовые изображения, имеющие отрицательный горизонтальный параллакс. Сохраните
результаты в виде электронного файла и распечатки.
6. Проведите оценку минимально различимого углового параллакса, используя
тестовые изображения с положительным горизонтальным параллаксом. Также сохраните
результаты в виде электронного файла и распечатки.
7. Проведите расчет остроты стереоскопического зрения для результатов,
полученных при выполнении пунктов 6 и 7.
8. Сформулируйте выводы по работе.
151
3.4. Требования к отчету
Отчет по лабораторной работе должен содержать:
1. Краткое теоретическое введение.
2. Математические зависимости (вместе с описанием метода их получения),
используемые для расчета остроты стереоскопического зрения.
3. Описание хода проведения психофизиологического эксперимента, включающее
в себя установленные параметры тестирования и протоколы хода проведения
исследования, подписанные преподавателем.
4. Результаты оценки остроты стереоскопического зрения, полученные в ходе
обработки экспериментальных данных.
5. Выводы по работе.
152
4. ИССЛЕДОВАНИЕ
ЧАСТОТНО-КОНТРАСТНОЙ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ
ЗРЕНИЯ ЧЕЛОВЕКА
Цель работы – выявление зависимости порогов контраста восприятия зрительных
стимулов от пространственной частоты тестового изображения при различных условиях
проведения психофизиологического эксперимента.
4.1. Общие положения
Различение зрительной системой окружающих предметов зависит не только от их
размеров, но и от количества деталей на единицу площади и их контраста с фоном. Для
оценки
этого
свойства
глаза
служит
исследование
частотно-контрастной
чувствительности (ЧКЧ) зрения.
ЧКЧ зрения является пространственной передаточной характеристикой зрительной
системы и показывает зависимость порогового контраста восприятия от пространственной
частоты (угловых размеров) воспринимаемых зрительных образов.
Визоконтрастометрия как метод исследования зрительной системы объединяет
большую
группу
практических
методик
и
технических
средств
измерения
пространственных модуляционных передаточных функций зрительной системы человека.
Методом
исследования
частотно-контрастной
характеристики
(ЧКХ)
является
пространственно-частотный анализ. Результаты фундаментальных исследований по
оптике и физиологии глаза позволили рассматривать зрительную систему как фильтр
пространственных частот. В то же время на основании психофизиологических работ была
выдвинута гипотеза, согласно которой изображение обрабатывается большим числом
параллельно действующих каналов, каждый из которых избирательно настроен на
определенную пространственную частоту. Возникающее в результате такой обработки
описание
изображения
является
Фурье-разложением.
Таким
образом,
метод
пространственно-частотного анализа отражает внутренние механизмы работы зрительной
системы и удобен для описания процесса восприятия изображения.
Первые измерения передаточной функции зрительной системы человека были
проведены инженерами для решения технических задач физической оптики и
телевидения. В 1951 году на международном симпозиуме, посвященном методам
измерения качества оптических систем и изображений, Шаде впервые было сделано
сообщение об измерениях модуляционных передаточных функций оптических систем и
зрительной системы наблюдателя. В 50-60-ые годы было выполнено множество работ по
153
измерению передаточных функций оптики глаза и нервной части зрительной системы
зрительного анализатора. В 60-ые годы сложилось общее представление о модуляционной
передаточной функции зрительной системы человека, установлен ее вид (рис. 5.).
S = 1/K (контрастная чувствительность), отн.ед.-1
100
10
1
0,1
1,0
10
100
пространственная частота, цикл/град.
Рис. 5. Частотно-контрастная
чувствительность зрительной системы
человека
Для человека видимым является практически весь пространственно-частотный
диапазон: от нулевой частоты до верхней граничной частоты лимитируемой дифракцией.
Удивительная согласованность зрительной системы с пространственно-частотным
спектром указывает на то, что она в результате длительной эволюции оказалась
оптимально приспособленной к восприятию пространственных свойств окружающей
среды, формы и положения объектов в поле зрения. Уже более тридцати лет известно, что
контрастная чувствительность не одинакова в пределах этого диапазона. В основе
чувствительности к пространственно-частотному спектру изображения лежит довольно
простой
нейрофизиологический
механизм:
определенный
вид
весовых
функций
рецептивных полей нейронов различных уровней зрительной системы.
Однако в реальных условиях видения значение гармонических составляющих не
определяется простой передаточной функцией. В любой жизненной ситуации на работу
зрительной
системы
накладываются
результаты
работы
механизмов
установки,
мотивации, значения тех или иных объектов для наблюдателя. При этом (ЧКХ) зрения
человека определяется не кривой контрастной чувствительности, а настройкой
наблюдателя, неким механизмом избирательного внимания, который следует учитывать
при проведении психофизиологических экспериментов для определения ЧКЧ.
Показано, что при таких заболеваниях как глаукома, амблиопия, ретробульбарный
неврит, сахарный диабет и ряде других, вид ЧКХ значительно отличается от нормы,
154
поэтому данная характеристика имеет большое диагностическое значение. С ее помощью
удается обнаружить заболевания на ранних стадиях, что невозможно сделать, используя
другие диагностические методы.
Пространственно-частотная полоса пропускания человека меняется в течение его
жизни. В начале полоса пропускания зрительной системы захватывает только
низкочастотную область, при этом верхняя граничная частота и соответствующая ей
острота зрения невелики. Так, у детей на первом месяце жизни верхняя граничная частота
составляет 1,5 цикла/градус, в два месяца она может достигать 8 циклов/градус. С
возрастом происходит рост чувствительности и расширяется полоса пропускания в
область высоких пространственных частот. Окончательное развитие зрительной системы
заканчивается к шестнадцати годам. В этот возрастной период чувствительность
зрительной системы максимальна, а пространственно-частотная полоса пропускания
наиболее широкая, причем у мужчин чувствительность несколько выше, чем у женщин.
Важно отметить, что в возрастной период от пяти до сорока пяти лет ЧКХ изменяются
незначительно, и этими изменениями можно пренебречь. После 25 лет начинается
медленное уменьшение полосы пропускания зрительной системы человека. У пожилых
людей происходит плавное снижение чувствительности в области средних и высоких
частот.
При пигментной дегенерации сетчатки наблюдаются существенные изменения
модуляционных передаточных функций. При данном заболевании ЧКХ меняется
следующим образом: при высокой остроте зрения, измеренной по таблицам, резко
снижена чувствительность к высоким пространственным частотам. Чем тяжелее
заболевание, тем более существенны изменения в ЧКХ. Поэтому при диагностике
пигментной дегенерации сетчатки, текущих осмотрах метод измерения модуляционных
передаточных функций является важнейшим методом, позволяющим оценить тяжесть
заболевания. Это нельзя сделать с помощью применяемых в настоящее время методов
измерения остроты и границ поля зрения.
Постоянно ведется поиск нетрудоемких и общедоступных приемов ранней
диагностики глаукомы. Определение ЧКХ может оказаться весьма полезным в решении
этой задачи. У больных на ранней стадии заболевания снижена контрастная
чувствительность в области средних пространственных частот. Кривая ЧКХ принимает
двугорбый вид. Изменение ЧКХ пропорционально тяжести заболевания при глаукоме.
Определение ЧКХ существенно в целях ранней диагностики глаукомы. Это имеет
большое
значение,
в
частности,
возможна
155
дифференциальная
диагностика
офтальмогипертензий и глаукомы. В первом случае данные визоконтрастометрии не
изменяются, во втором изменения есть.
Ретробульбарный неврит это поражение зрительного нерва самой разнообразной
этиологии.
ЧКХ
позволяет
оценить
тяжесть
заболевания,
преимущественную
локализацию поражения, количественно измерить сохранность зрительных функций,
выражающуюся в таких субъективных нарушениях восприятия, которые больные
характеризуют как туман, мушки перед глазами и так далее.
Исследования ЧКХ проводят обычно с помощью изображений вертикальных
черно-белых полос с синусоидальным распределением яркости («синусоидальных
решеток») с различными пространственными частотами и изменяющимся контрастом.
Яркость тестового изображения определяется выражением:
B(x) = Bф + BSin(пx),
где Bф средний уровень яркости (яркость фона), В амплитуда яркости
(амплитуда полос), п пространственная частота решетки (число периодов сигнала на 1
поля зрения).
Контраст решетки (глубина модуляции) определяется следующим соотношением:
К = (Bmax Bmin)/(Bmax + Bmin) = B/Bф.
Известно несколько видов тестовых изображений для исследований ЧКХ зрения.
Наиболее простым представляется набор изображений в виде синусоидальных решеток
фиксированных
частот
–
«пространственных
решеток».
Обычно
используются
пространственные частоты в диапазоне 0,5…20 циклов/градус. В пределах любого из
этого набора тестового изображения контраст синусоидальной решетки одной частоты
изменяется плавно сверху вниз по логарифмическому закону, начиная с нулевого
значения и до 0,4…0,5. Различия в известных методиках заключаются в том, что
изображения решеток могут быть изготовлены на бумаге в виде атласа, на листах пленки
и в виде диапозитивов, и демонстрироваться с помощью негатоскопа или проекционного
аппарата соответственно.
При предъявлении испытуемому тестового изображения в виде атласа всю таблицу
(трафарет) закрывают серой карточкой (коэффициент отражения карточки равен
коэффициенту отражения таблицы), кроме той части, где контраст ниже порога. В этот
момент трафарет кажется испытуемому однотонно серым. Затем исследователь медленно
перемещает карточку, показывая части трафарета с прогрессивно увеличивающимся
контрастом. При определенном положении карточки испытуемый начинает различать
решетки. Это положение отмечается на шкале, нанесенной на трафарете.
156
При предъявлении наблюдателю тестового изображения с помощью пленки или
слайдов используют два вида масок. Первый из них представляет собой щель постоянных
размеров. Перемещая щель по направлению увеличения контраста изображения,
исследователь фиксирует момент, когда испытуемый начинает видеть решетку. Второй
тип маски представляет собой ограничитель лишь со стороны максимального контраста.
Исследователь фиксирует пороговый контраст, при котором наблюдатель перестает
видеть периодичность в изображении.
Изображение простой синусоидальной
решетки (см. рис. 6) может быть предъявлено
испытуемому
и
формирования
стимула
колебаний,
экране
тестового
используют
Рис. 6. Внешний вид тестового
на
генератор
ЭЛТ.
Для
изображения
синусоидальных
а
в
качестве
устройства
воспроизведения
осциллоскоп.
Перед
осциллоскопом помещают лист белого картона с окном, соответствующим размеру
тестовой решетки. Необходимо освещать картон добавочным источником света через
цветовой фильтр для создания соответствия тестового спектра картона и зеленого экрана
осциллоскопа с тестирующей решеткой. Методика исследований аналогична описанным
выше.
Предъявляя последовательно изображения простых синусоидальных решеток,
можно построить зависимость минимально различимого контраста от частоты решетки.
Обычно достаточно набора содержащего 8-10 тестовых изображений.
Стремление к уменьшению количества тестовых изображений привело к
разработке другого варианта теста сложной решетки. Изображение этого теста строится
так, чтобы пространственная частота синусоидальной решетки возрастает по одной
координате, а ее контраст по другой. Изображение испытуемому предъявляется на экране
ЭЛТ целиком, и он фиксирует огибающую минимального контраста при различении
периодичности решетки. Процедура регистрации ЧКХ при таком тесте упрощается, но
точность ее определения ниже. Кроме того, возрастают трудоемкости синтеза такого
тестового изображения.
В настоящее время существуют варианты компьютерной визоконтрастометрии,
разновидность одного из которых положена в основу данной лабораторной работы.
Приведенные методики исследования основаны на обнаружении испытуемым
периодичности в изображении. Однако возможны другие подходы. Например, известен
метод, основанный на уравнивании контрастов. Испытуемому предъявляют изображение,
157
состоящее из двух частей. В одной из них находится эталонное изображение простой
синусоидальной решетки постоянного контраста, изображением в другой части экрана
управляет испытуемый. Цель управления подобрать такое изображение решетки, чтобы
поля не отличались по контрасту. Эта методика позволяет оценить дифференциальную
ЧКЧ зрения.
В
заключение
необходимо
указать,
что
измерения
модуляционных
пространственных передаточных функций зрительной системы человека не позволяет
дать исчерпывающую характеристику зрительного анализатора в прямой аналогии с
простейшими оптическими приборами. В настоящее время невозможно, в силу ряда
причин, построить полную передаточную функцию зрительной системы. Однако этот
метод позволяет провести анализ пространственно-частотной полосы пропускания, как
всей зрительной системы, так и ее отдельных частей, представить характер информации,
передаваемой по отдельным каналам в системе глаз-мозг, косвенным путем установить
качество восприятия изображений нормальной и патологически измененной зрительной
системы.
4.2. Методика проведения исследований
Методика оценки ЧКЧ зрения, используемая в данной лабораторной работе,
основана на различении периодичности тестового стимула при достижении его контраста
пороговой
величины.
испытуемому
В
ходе
предъявляется
синусоидальным
проведения
тестовое
распределением
психофизиологического
изображение
яркости
и
в
виде
определяется
полос
эксперимента
(решеток)
пороговый
с
контраст
(контрастная чувствительность) зрения на 16-ти различных пространственных частотах в
диапазоне от 0,5 до 24 циклов/градус.
Первым
шагом
проведения
тестовых
испытаний
является
расположение
тестируемого на заданном расстоянии от экрана монитора, на котором отображаются
зрительные стимулы. Данная процедура необходима для обеспечения заданных угловых
размеров решеток и исключения каких-либо изменений поля зрения, уровня фонового
освещения и шумовых факторов, способных влиять на устойчивость зрительного
внимания и точность результатов исследования.
158
Затем исследователь (роль которого в данном случае выполняет другой студент
учебной бригады) задает параметры тестового
L
изображения:
- Яркость фона (Bф).
- Набор пространственных частот, на
которых будет осуществляться тестирование i:
0,5; 1; 2; 3; 4; 5; 6; 8; 10; 12; 14; 16; 18; 20; 22
тестовый стимул
h
и/или 24 циклов/градус.
-
Цвет
«синусоидальных
решеток»:
Серый, Красный, Синий, Зеленый, Желтый,
Голубой или Фиолетовый.
глаз
Рис. 7. Распределение яркости
изображения
-
Минимальное
время
адаптации
к
фоновому изображению Ta: 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9,
10, 11 или 12 с. В действительности для
повышения достоверности проведения исследований в качестве длительности периода
адаптации используется случайная величина лежащая в пределах от Ta до Ta + Ta/3.
- Время ожидания ответной реакции испытуемого Tож, определяющее скорость
изменения контраста тестовой решетки: 100, 500, 1000, 2000, 3000 или 5000 мс.
- Количество повторов исследования на каждой пространственной частоте n: 1, 3,
5, 7 или 9.
- Шаг изменения контраста изображения k: 1…10 отн. ед.
- Расстояние от испытуемого до монитора h: 70…500 см.
- Характер проводимых исследований: бинокулярно, для левого или правого глаза.
Следующим шагом после задания условий проведения эксперимента является
процесс
формирования
зрительных
стимулов,
непосредственно в ходе осуществления исследований.
159
которые
будут
использоваться
S = 1/K (контрастная чувствительность), отн.ед.-1
200
175
150
125
100
75
50
25
0,5
2
4
6
12 14 16 18 20
8
10
пространственная частота, цикл/град.
22
24
Рис. 8. Результаты исследований
Учитывая
дискретность
экрана
монитора,
на
котором
осуществляется
воспроизведение тестовых стимулов, зависимость размера элемента дискретного растра от
физического размера экрана, его разрешающей способности и текущего разрешения,
закон распределения яркости тестового стимула вдоль оси абсцисс может быть описан
следующим аналитическим соотношением:
B(i) = Bф + Asin(2Qi/L) = Bф + Asin(2ij/L) =
= Bф + Asin(4ij[arctg(0,5Ldpix/h)]/L),
где: Bф – яркость фона изображения, A – амплитуда «синусоидальной решетки», Q –
количество периодов синусоидального сигнала, L – горизонтальный размер тестового
стимула (в элементах дискретного растра), i – номер отсчета (элемента дискретного
растра), j – пространственная частота, – угол зрения, dpix – горизонтальный размер
элемента дискретного растра, h - расстояние от испытуемого до экрана монитора.
Поскольку данный программный комплекс предназначен для эксплуатации не в
условиях медицинского учреждения, а, следовательно, нельзя с полной уверенностью
говорить о технических характеристиках используемого оборудования и жестком
обеспечении условий проведения эксперимента, не представляется возможным заранее
создать изображения всех тестовых стимулов. Данный процесс приходится осуществлять
непосредственно из программной оболочки после фиксации параметров тестирования.
Подлежащая выполнению операция не требует от пользователя системы каких-либо
160
специальных навыков и будет подробнее рассмотрена в разделе, посвященном описанию
программного обеспечения.
В
ходе
непосредственно
процесса
прохождения
исследования
после
предварительной адаптации зрительной системы к фоновой яркости на экране монитора
воспроизводятся тестовые стимулы фиксированной пространственной частоты и
заданного цвета с контрастом, плавно (с шагом k/Bф) нарастающим по линейному
закону от нулевого значения до уровня превышающего порог его восприятия
обследуемым. В момент четкого различения структуры тестового стимула испытуемый
сообщает об этом нажатием левой кнопки манипулятора «мышь». После этого для снятия
остаточного зрительного образа, возникающего на сетчатке тестируемого глаза
вследствие инерционности зрительного восприятия, весь экран перекрашивается в черный
цвет, осуществляется временная задержка длительностью около 2 с, и происходит
отображение адаптирующего образа. Затем исследования повторяются на следующей
пространственной частоте i. Поскольку в данном случае используется субъективный
метод регистрации оцениваемого медико-биологического параметра, то для повышения
достоверности проводимых исследований тестирование на каждой пространственной
частоте повторятся n раз. Кроме того, для снижения вероятности сознательной или
бессознательной
фальсификации
результатов
тестирования
последовательность
предъявления тестовых стимулов формируется случайным образом.
Необходимая обработка результатов, полученных в ходе проведения медикобиологического эксперимента, сводится к определению математического ожидания и
дисперсии значения ЧКЧ зрения по каждой пространственной частоте с последующим
построением интервальных оценок изучаемой медико-биологической характеристики. В
результате, после соответствующей статистической обработки строятся графические
зависимости
ЧКЧ
зрения
от
пространственной
частоты
тестовых
стимулов
с
обязательным указанием доверительных интервалов, в которые данный параметр
укладывается с заданной доверительной вероятностью (см. рис. 8).
4.3. Описание программного обеспечения
Программное обеспечение лабораторной работы выполнено в виде многооконного
приложения, функционирующего в операционной среде Windows 98/2000/XP (обязательна
установка на компьютере DirectX не младше 7-ой версии). Необходимое разрешение
экрана – 1024х768, качество цветопередачи – 32 бита, допустимо использование ЭЛТ или
ЖК-мониторов.
161
Допуск к модулю процесса
проведения
тестирования
осуществляется
только
обязательной
регистрации
испытуемого
с
помощью
соответствующего
раздела
программного
Рис. 9. Модуль регистрации испытуемого в
системе
после
обеспечения
(«Регистрация»).
Внешний
вид
экранной
формы
приложения
процессе
заполнения
в
анкетных
данных приведен на рис. 9. Обязательным моментом является заполнение поля
«Фамилия», в противном случае программный модуль выдаст соответствующее
предупреждение, и допуск в основную форму приложения будет запрещен до выполнения
соответствующей операции.
Задание параметров тестирования происходит с помощью активных элементов
интерфейса, помещенных на экранную форму, внешний вид которой приведен в
приложении 3. Данный раздел программного обеспечения позволяет определить все
характеристики тестовых стимулов и условия проведения психофизиологического
эксперимента, сформулированные в разделе «Методика проведения исследований»
данных методических указаний.
Поскольку специфика проведения медикобиологических исследований в условиях учебного
учреждения
Рис. 10. Предупреждение
(часто
в
требует
ущерб
большей
точности)
универсальности
в
использовании
аппаратного обеспечения, данный программный
продукт имеет ряд функциональных ограничений. Эти ограничения связанны, в первую
очередь, с обеспечением пространственной частоты, формируемых тестовых стимулов:
количество
элементов
дискретного
растра,
приходящихся
на
один
период
синусоидального сигнала не должно превышать 240. В связи с этим, при определенных
величинах элемента дискретного растра, определяемых разрешающей способностью
монитора и его размерами, а также определенном расстоянии от монитора до
испытуемого (h), возникает ситуация когда «решетки» низких пространственных частот
(0,5 и 1,0 циклов/градус) не могут быть сгенерированы. В данном случае пользователь
получает предупреждение (рис. 10) и соответствующая пространственная частота
автоматически исключается из процесса тестирования. Подобной ситуации можно
162
избежать, если установить меньшую величину h (примерно 1,5 … 2,5 м). Однако при этом
для высокочастотных тестовых изображений нарушается закон синусоидального
распределения яркости, а значит, меняется и спектральный состав тестовых образов, что
может негативно сказаться на результатах исследований. Причины данного явления
станут понятны, если Вы попробуете поразмышлять над минимально необходимым
количеством пикселей, обеспечивающих синусоидальность распределения яркости.
Другим
моментом,
связанным
с
погрешностью
формирования
тестовых
изображений, является дискретность монитора, на котором они воспроизводятся. Если
внимательно посмотреть на рисунок, приведенный в приложении 3, то можно заметить,
что число пикселей, приходящихся на период тестового стимула, в общем случае не
является целым. Это значит, что на один период сигнала приходится одно количество
элементов дискретного растра, а на другой – другое. Иными словами формируемый
тестовый стимул имеет апериодическую структуру, что противоречит основным
принципам визоконтрастометрических исследований. В данной версии программного
обеспечения используется следующее решение сформулированной проблемы: при
формировании тестовых изображений их синтез в соответствии с аналитическим
соотношением,
приведенным
в
разделе
«Методика
проведения
исследований»,
производится лишь для элементов дискретного растра в пределах первого периода
сигнала (в случае, приведенном в приложении 3, для 191 точки). Остальная часть
тестового образа получается путем последовательного копирования первой части
изображения требуемое число раз. Нетрудно понять, что, обеспечивая, таким образом,
периодичность тестового стимула, мы несколько искажаем его пространственную частоту,
причем величина искажений будет неравномерна для различных
областей пространственного спектра.
Процесс проведения исследований может быть успешно
осуществлен только в том случае, если все подлежащие
использованию
тестовые
стимулы,
размещены
в
папке
«Решетки» (полную файловую организацию программного
обеспечения см. в приложении 4). Непосредственно синтез
тестовых изображений и их размещение в требуемом месте
осуществляется пользователем системы с помощью модуля
Рис. 11.
Информационное
сообщение
программного обеспечения «Синтез». Данная операция может
быть опущена, если такие параметры тестирования как:
расстояние от испытуемого до монитора и размер элемента
дискретного растра (горизонтальный размер тестового изображения) соответствуют
163
установленным по умолчанию величинам. В противном
случае синтез и запоминание новых тестовых образов
обязателен. При сохранении графических файлов система
автоматически присваивает им необходимые названия,
изменение которых недопустимо. В случае необходимости
могут быть восстановлены исходные тестовые образы,
Рис. 12. Сообщение об
резервная копия которых изначально записана в папке
окончании тестовых
«Изображения
й
по
умолчанию».
Автоматизация
этого
процесса обеспечивается выбором кнопки «Загрузить набор
по умолчанию».
Рис. 13. Форма представления результатов исследований
После запуска модуля программного обеспечения, отвечающего непосредственно
за реализацию процесса проведения исследований, на экран выводится изображение,
приведенное на рис. 11. Исследования проводятся в соответствии с описанной ранее
методикой. Следует отметить, что в любой момент времени процесс тестирования может
быть прерван путем нажатия кнопки клавиатуры «Esc». Сохранения результатов при этом
не происходит.
164
Рис. 14. Модуль информационного
обеспечения
По окончании тестирования на мониторе появляется соответствующее сообщение
(см. рис. 12), после чего пользователю открывается возможность просмотра и сохранения
полученных результатов.
Описываемая
версия
программного
обеспечения
позволяет
просмотреть
результаты тестовых исследований как в графическом (гистограмма), так и в текстовом
виде (рис. 13). Текстовый вариант может быть выведен на печать или сохранен в форме
электронного файла на соответствующем носителе. По умолчанию файл результатов
назван по фамилии зарегистрированного в системе пользователя и размещается в папке
«Результаты». Данная операция осуществляется с помощью соответствующих элементов
управления
ВНИМАНИЕ! Данная версия программного обеспечения позволяет пользоваться
только текущими результатами исследований. Повторное прохождение теста уничтожает
(перезаписывает) предыдущий результат.
В состав программного обеспечения лабораторной работы входит также модуль
сервисной информации (рис. 14), позволяющий получить краткую справку об
используемой методике и о процессе проведения исследований.
4.4. Задание по лабораторной работе
1. Внимательно изучите общие принципы проведения визоконтрастометрических
исследований и биотехническую методику изучения ЧКЧ зрения, реализуемую в данном
варианте лабораторной работы.
2. Подготовьте бланк задания по выполнению лабораторной работы в соответствии
с формой, приведенной в приложении 2, и заполните его у
непосредственно перед началом занятия.
165
преподавателя
3. Ознакомьтесь с программным обеспечением и убедитесь в наличии всех
необходимых атрибутов (очки со съемными непрозрачными стеклами, удлинитель (в
случае необходимости) для манипулятора мышь), необходимых для успешного
осуществления психофизиологического эксперимента.
4. Проведите предварительные исследования, позволяющие правильно установить
время адаптации и время ожидания ответной реакции испытуемого, которые обеспечат
минимальное время реализации тестового задания без потери диагностической
значимости. Результаты пробных исследований не сохраняются.
5. Осуществите оценку величин порогового контраста обнаружения тестовых
стимулов в соответствии с полученным ранее заданием. Распечатайте или перепишите
результаты и получите подпись преподавателя.
6. Проведите статистическую обработку результатов исследования и определите
доверительные интервалы ЧКХ при заданном уровне вероятности.
7. Постройте графические зависимости ЧКЧ зрения от пространственной частоты в
виде удобном для проведения сравнительного анализа.
8. Сформулируйте выводы по работе.
4.5. Требования к отчету
Отчет по лабораторной работе должен содержать:
1. Краткое теоретическое введение.
2. Описание хода проведения психофизиологического эксперимента, включающее
в себя установленные параметры тестирования и протоколы хода проведения
исследования, подписанные преподавателем.
3.
Описание
математических
методов,
используемых
для
статистической
обработки результатов психофизиологических экспериментов.
4.
Графические
зависимости
полученных
результатов
исследований
(с
обязательным отображением доверительных интервалов).
5. Выводы по работе.
4.6. Примерный список контрольных вопросов
1. Сформулируйте, для каких целей может быть использована биотехническая
методика исследования ЧКЧ зрения, реализованная в данном варианте лабораторной
работы (диагностика состояния зрения, скрининг, эргономические исследования,
офтальмоконтроль, клиническая диагностика, прецизионная оценка ЧКЧ и т.д.).
166
2. Регулировкой каких параметров тестовых стимулов можно повысить точность
проведения исследований по изучению ЧКЧ зрения?
3. В каких случаях целесообразно задавать высокие значения яркости фона
тестового изображения, а в каких – низкие?
4. Продумайте, какие законы изменения контраста тестовых стимулов могут быть
использованы при проведении данных медико-биологических исследований.
5. Чем должно лимитироваться задаваемое время адаптации зрительной системы
обследуемого к фоновому изображению?
6. Какими факторами определяется погрешность синтеза пространственной
частоты тестовых стимулов?
7. Будут ли зависеть результаты тестовых испытаний от цвета формируемых
«синусоидальных решеток»?
167
5. ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ СЛУХОВОГО АНАЛИЗАТОРА
Цель работы: экспериментальное определение порогов слшимости человека по
воздушной проводимости и сравнительные оценочные исследования этих порогов по
костной проводимости.
5.1. Общие положения
Звуковые волны представляют собой продольные механические колебания. Они
испускаются источником звука колеблющимся телом и распространяются в твердых
телах, жидкостях, газах в виде колебаний давления.
Человеческое ухо, как правило, воспринимает частоты от 16 Гц до 20 кГц. При
одинаковом звуковом давлении и одинаковой интенсивности громкость звуков различной
частоты по-разному воспринимается ухом. Громкость это сила звука, воспринимаемая
человеком
субъективно,
она
зависит
от
слуха
и
является
физиологической
характеристикой. Для сравнения интенсивностей звука или звукового давления
используют такую характеристику, как уровень интенсивности или уровень звукового
давления.
Уровнем интенсивности Lp называется умноженный на 10 десятичный логарифм
отношения двух интенсивностей звука; уровнем звукового давления L называется
умноженный на 20 десятичный логарифм отношения звуковых давлений. В соответствии
с данным определением можно записать: Lp = 10lg(I/I0) и L = 20lg(P/P0), где: I0 = 10-12
Вт/м2 и P0 = 210-5 Па соответственно порог слышимости и пороговое звуковое
давление на частоте 1 кГц, т.е. минимальная интенсивность звука I0 или звуковое
давление P0, которые различаются человеческим ухом на частоте 1 кГц. Пороговые
значения приняты как стандартные. Уровни интенсивности в численном выражении
обычно определяются в децибелах (дБ).
Определение порогов слышимости осуществляется подачей испытуемому чистых
тонов (синусоидальных колебаний одной частоты) различной интенсивности и различной
частоты. Регистрация результатов производится по ответам пациента в виде аудиограммы
зависимости порогов слышимости от частоты. Аудиограмма определяется отдельно для
каждого уха и характеризует индивидуальные особенности испытуемого. Пороги
слышимости зависят от длительности предъявления чистого тона, от состояния человека,
от внешнего шума, который может дополнительно воздействовать на испытуемого (так
называемый маскирующий шум).
168
5.2. Описание лабораторной установки
Пороги слышимости определяют с помощью аудиометра поликлинического АП-02.
Регистрация результатов производится на бланке аудиограммы по ответам пациента
путем нанесения точек в месте пересечения планок, связанных с переключателями
частоты и интенсивности звука. Прибор обеспечивает определение порогов слышимости
по воздушной и костной проводимостям на 9 фиксированных частотах: 121, 250, 500,
1000, 2000, 3000, 4000, 6000, 8000 Гц. Изменение уровня интенсивности производится
ступенями через 5 дБ. Изменение уровня интенсивности маскирующего шума
осуществляется в пределах от 20 до 100 дБ ступенями через 10 дБ. В приборе
предусмотрено устройство прерывания подачи тона. Аудиометр конструктивно оформлен
в виде настольного прибора. На наклонной плоскости крышки прибора расположены
следующие органы управления: клавиша включения сети; переключатель телефонов
воздушной проводимости; переключатель рода работ включение телефонов воздушной
и
костной
проводимости;
переключатель
интенсивности
маскирующего
шума;
переключатель и кнопка прерывания (подачи) тона. На той же плоскости располагается
индикаторная лампа. Лампа ответов пациента расположена над переключателем
интенсивности. На горизонтальной панели прибора располагается бланк аудиограммы,
который фиксируется прижимом с помощью специальной кнопки.
На задней стенке прибора расположены: вилка для подключения шнура питания,
держателя предохранителей, клемма для заземления прибора и розетки для подключения
кнопки пациента, телефона костной проводимости, телефонов воздушной проводимости.
5.3. Порядок проведения работы
На горизонтальной панели прибора установить бланк аудиограммы, для чего
переключатель «ТОН» вывести в крайнее нижнее положение, нажать кнопку прижима и
остановить бланк аудиограммы, совместив два крайних отверстия планки переключателя
интенсивности тона с крайними точками заштрихованной области бланка. Установить
органы управления прибора в исходные положения: переключатель рода работ в
положение «В»; переключатель интенсивности маскирующего шума в положение
«НЕТ»; переключатель прерывания подачи тона в направлении стрелки;
переключатель «ПЕРЕГОВОРЫ» в положение, противоположное направлению стрелки.
Пациента посадить так, чтобы он не видел органов управления прибора, и дать ему
кнопку пациента, которую необходимо нажимать, когда он слышит тон в телефоне. После
169
этого надеть пациенту телефону воздушной проводимости. В зависимости от того, с
какого уха начинают исследование, переключатель телефонов ставят в положение, при
которой цвет надписи «ТОН» соответствует цвету чашки телефона со стороны
исследуемого уха.
Для исследования воздушной проводимости, передвинув ручку, переключателя
интенсивности тона, подать через телефон в исследуемое ухо отчетливо слышимый
пациентом тон. Получив от пациента сигнал о слышимости тона (свечение лампы
«ОТВЕТ»), постепенно уменьшать интенсивность тона до тех пор, пока пациент не
перестанет слышать тон.
Повторив 23 раза увеличение и уменьшение интенсивности тона, находят то
положение переключателя (минимальную интенсивность), при которой пациент еще
слышит звук в телефоне. После этого в месте пересечения планок через отверстие в
планке на бланке аудиограммы поставить карандашом точку. Далее установить
переключатель в положение «минус 10». Сдвинув переключатель частот в следующее
положение, повторить процедуру определения порога слышимости. Рекомендуется
следующий порядок чередования частот в процессе исследования: 1000, 2000, 3000, 4000,
6000, 8000, 500, 250, 125 Гц.
Точки, соответствующие порогам слышимости на разных частотах для одного уха,
соединяют линиями, которые в совокупности и представляют собой аудиограмму.
Устройство прерывания подачи тона работает в двух режимах. Если переключатель
сдвинут в направлении стрелки, нажим кнопки прекращает подачу тона в телефоны, в
противоположном положении переключателя тон будет подаваться при нажатии кнопки.
Этим устройством пользуются для контроля правильности ответов исследуемого.
Для наследования костной проводимости необходимо вернуть все переключатели в
исходное положение, переключатель рода работ установить в положение «К». Дать
пациенту телефон костной проводимости, который он должен прижать к сосцевидному
отростку височной кости со стороны исследуемого уха. Исследование проводится так же,
как и по воздушной проводимости, но в диапазоне частот от 125 до 4000 Гц. Следует
учесть, что максимальное значение уровня интенсивности тона соответствующих частот
на 40 дБ меньше, чем в режиме работы с телефоном воздушной проводимости.
При исследовании порогов слышимости с маскирующим шумом на одно ухо
подается чистый тон, а на другое ухо маскирующий шум. Включение и регулирование
интенсивности маскирующего шума производится переключателем. Исследование слуха в
этом случае проводится описанным выше способом. Чтобы убедиться, что пациент в ходе
исследования слышит именно тон, а не маскирующий шум, надо нажать кнопку
170
прерывания. Если пациент сигнализирует при этом, что продолжает слышать звук, значит
он реагирует на шум, а не на тон. В таком случае необходимо еще раз разъяснить
пациенту, на какой звук он должен отвечать.
5.4. Требования к отчету
Отчет должен содержать понятия основных терминов и определений, полученные
аудиограммы для каждого уха при костной и воздушной проводимости с маскирующим
шумом и без него, выводы по работе.
171
6. ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК
БИООБЪЕКТОВ. ВИБРОТЕСТЕР
Цель работы: изучение методов определения механических характеристик
биообъектов на примере исследования вибрационной чувствительности кожных покровов
человека и функциональной зависимости вибрационной чувствительности от общей и
локальной физической нагрузки.
6.1. Общие положения
Вибрация – это механические колебания тела. Самый простой вид вибрации –
общая вибрация, колебание или повторяющееся движение объекта около положения
равновесия (тело перемещается как единое целое, все его части имеют одинаковую по
величине и направлению скорость).
Колебательное движение твердого тела может быть полностью описано в виде
комбинации шести простейших типов движения: поступательного в трех взаимно
перпендикулярных
направлениях
и
вращательного
относительно
трех
взаимно
перпендикулярных осей.
Вибрация тела всегда вызывается какими-либо силами возбуждения. Эти силы
могут быть приложены к объекту извне или возникать внутри него самого. Вибрация
конкретного объекта полностью определяется силой возбуждения, ее направлением и
частотой.
Появляющаяся при работе механизмов, оборудования и инструмента вибрация
может приводить к возникновению и развитию различных форм вибрационной болезни.
Степень неблагоприятного воздействия вибрации определяется ее интенсивностью и
частотой, длительностью действия, а также рядом факторов производственной
обстановки:
температурой
и
влажностью
окружающего
воздуха,
степенью
прикладываемых при работе мышечных усилий и т.д.
Одним
из
ранних
признаков
вибрационной
болезни
является
потеря
чувствительности в пальцах рук или других участках тела, причем степень угнетения
вибрационной чувствительности (величина потери вибрационной чувствительности)
коррелирует со степенью вибрационной патологии. Определение потери вибрационной
чувствительности также находится в определенной зависимости от параметров
воздействия вибрации, ее интенсивности и частотного состава.
Исследования вибрационной чувствительности могут быть использованы:
172
при проведении предварительных осмотров при поступлении на работу для
представителей виброопасных профессий;
при проведении периодических осмотров рабочих виброопасных профессий;
при проведении массовых профилактических осмотров;
при ранней диагностике вибрационной болезни, оценке эффективности терапии
виброболезни и мероприятий по ее профилактике;
при отработке режимов труда и отдыха рабочих виброопасных профессий,
определении эффективности организационно-технических мероприятий по снижению
вредного воздействия вибрации на рабочих;
при врачебно-трудовой экспертизе;
при диагностике органических заболеваний и функциональных расстройств
нервной системы;
в сурдологии при решении вопросов об эффективности использования
вибрационного чувства для обучения глухонемых.
6.2. Описание лабораторной установки
Исследование вибрационной чувствительности кожных покровов осуществляется с
помощью устройства «Вибротестер», в структуре которого можно выделить: блок
питания, функциональный генератор, аттенюатор, усилитель мощности, генератор
случайных чисел (в диапазоне от 1 до 3), набор виброизлучателей (3 шт.).
При включении тумблера «СЕТЬ» на выходе блока питания формируются
стабилизированные напряжения: +12,6 В и -12,6 В для питания микросхем аттенюатора и
усилителя
мощности,
+5
В
для
питания
генератора
случайных
чисел;
и
нестабилизированное напряжение +12 В для питания реле и светодиодных индикаторов.
Функциональный генератор в зависимости от положения переключателя S1
формирует напряжение переменного тока частотой 32, 63, 125 и 250 Гц, которое подается
на аттенюатор.
Форма выходного сигнала генератора сигнала в зависимости от положения
переключателя SA1 может быть треугольной, синусоидальной или прямоугольной, что
позволяет исследовать влияние формы сигнала на вибрационную чувствительность.
Аттенюатор позволяет ступенчато изменять амплитуду колебаний, поступающих
от функционального генератора в динамическом диапазоне от –20 дБ до +30 дБ ступенями
по 5дБ.
173
С выхода аттенюатора колебания подаются через замкнутые контакты одного из
трех реле на соответствующий виброизлучатель.
Замыканием контактов реле управляет генератор случайных чисел, который
представляет собой счетчик импульсов 1, 2, 3 с регистром сдвига.
Генератор случайных чисел запускается и останавливается переключателем S5.
В положении переключателя «ПОДГОТОВКА», в генераторе случайных чисел
запускается непрерывный отсчет импульсов с частотой 36000 Гц. По каждому четвертому
импульсу генератор возвращается в состояние 1 и, таким образом, циклически
производится перебор чисел 1, 2, 3. В данном режиме питание на реле не подается и
выход усилителя мощности не подключен ни к одному виброизлучателю.
Переключатель S5 может быть переведен из режима «ПОДГОТОВКА» в режим
«ВКЛЮЧЕНИЕ в любой момент времени по желанию оператора».
В
положении
переключателя
«ВКЛЮЧЕНИЕ»
перебор
чисел
1,
2,
3
останавливается на одном из чисел, и на соответствующее реле подается напряжения
питания, благодаря чему срабатывает реле, и выход усилителя мощности подключается к
соответствующему виброизлучателю. Вторая пара контактов реле включает светодиод,
информирующий оператора о том, какой виброизлучатель включился.
Включение одного из вибродатчиков при таком способе управления происходит
«квазислучайно», т.к. генератор не сам формирует случайную последовательность чисел,
а управляется оператором.
Однако, учитывая высокую частоту перебора вариантов (36000 Гц), каждый из
виброизлучателей за время в 1 секунду между положениями переключателя S5
«ПОДГОТОВКА/ВКЛЮЧЕНИЕ» имеет возможность быть подключенным к выходу
усилителя мощности 12000 раз. Поскольку оператор не ограничен в выборе
продолжительности режима «ВКЛЮЧЕНИЕ», то момент остановки перебора на одном из
виброизлучателей можно считать случайными.
Основными деталями виброизлучателя являются постоянный кольцевой магнит и
подвешенная на плоских металлических пружинах катушка, намотанная медным
проводом диаметром 0,2 мм на пластмассовом каркасе со стальным сердечником.
6.3. Методика проведения лабораторной работы
При осуществлении тестовых испытаний, пациента располагают таким образом,
чтобы он не мог видеть лицевую панель прибора. Измерения необходимо проводить на
нетравмированном (третьем или четвертом) пальце руки. Рука пациента должна быть
сухой и чистой.
174
После остановки генератора случайных чисел (S5 в положении «ВКЛЮЧЕНИЕ»),
пациент
прикасается
кончиками
пальцев
поочередно
к
наконечникам
трех
виброизлучателей и пытается определить, какой из них в настоящий момент колеблется.
Речевой ответ пациента сравнивается с номером горящего светодиода и
правильный ответ пациента фиксируется в протоколе испытаний.
При обследовании пациента, его необходимо предупредить, что даже сам оператор
не знает, какой из виброизлучателей в момент испытаний включится, и что во время
испытаний излучатели подключаются в произвольном порядке и возможно повторное
включение одного и того же излучателя несколько раз подряд.
Пациент должен отвечать честно, не смущаясь своих ответов, опираясь только на
свои ощущения, не пытаясь угадывать ответ.
На первом этапе обследования устанавливают частоту колебаний 250 Гц и
начинают тестирование с наибольшей амплитуды колебаний +30 дБ, чтобы пациент
понял, как находить работающий виброизлучатель и достоверно почувствовал вибрацию.
Если пациент правильно определяет работающий виброизлучатель, то переходят к
испытаниям на меньших амплитудах колебаний.
Когда пациент впервые даст ошибочный ответ, следует проверить его ответ при
большей амплитуде, затем вновь вернутся к той, при которой был получен ошибочный
ответ. Если ошибка вновь повторяется, то в протокол заносится предельное значение, при
котором был получен правильный ответ.
Испытания по описанной схеме повторяют при частотах 125, 63 и 32 Гц.
6.4. Порядок проведения работы
1. Ознакомиться с руководством по выполнению лабораторной работы.
2. Подготовить прибор к работе.
3. Исследовать вибрационную чувствительность кожных покровов участков левой
и правой рук (фаланги пальцев, кисти, предплечья) в зависимости от частоты.
4. Изучить функциональную зависимость вибрационной чувствительности от
физической нагрузки:
местная физическая нагрузка на кисть;
общая физическая нагрузка;
восстановление вибрационной чувствительности.
6.5. Требования к отчету
Отчет по лабораторной работе должен содержать:
175
1. Функциональную схему прибора и ее краткое описание.
2. Результаты экспериментальных исследований в виде заполненных карточек и
графиков зависимости вибрационной чувствительности кожных покровов человека от
частоты и от физической нагрузки, а также изменения вибрационной чувствительности во
времени после физической нагрузки.
3. Выводы по работе.
Список литературы
1. Физиология сенсорных систем. Учебное пособие для вузов. (Под общ. ред. проф.
Я.А. Альтмана). – СПб.: «Паритет», 2003.
2. Ахлаков М.К., Болсунов К.Н., Попечителев Е.П. Тестовые системы в медикобиологических исследованиях: Учеб. пособие. – СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2003.
3. Волков В.В. Клиническая визо– и рефрактометрия. – М.: Высшая школа., 1983.
4.
Попечителев
Е.П.,
Юлдашев
З.М.
Биотехнические
системы
в
офтальмодиагностических исследованиях. Учеб. пособие. – СПб.: Изд-во СПбГЭТУ
«ЛЭТИ», 1997.
4. Рожков С.Н., Овсянникова Н.А. Стереоскопия в кино-, фото-, видеотехнике.
Терминологический словарь. – М.: «Парадиз», 2003.
5. Сомов Е.Е. Методы офтальмоэргономики. Л.: Наука, 1989.
6. Сомов Е.Е. Офтальмоэргономика операторской деятельности. – Л.: Наука, 1986.
7. Шамшинова А.М., Волков В.В. Функциональные методы исследования в
офтальмологии. М.: Медицина, 1999.
8. Шелепин Ю.Е., Колесникова Л.Н., Левкович Ю.И. Визоконтрастометрия, Л.:
Наука, 1985.
9. Чигирев Б.И. Биофизика органов чувств: Учебн. пособ. СПб ГЭТУ, 2001.
176
ПРИЛОЖЕНИЕ №1
Квантили распределения Стьюдента
Число степеней
свободы
f=n-1
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
40
60
120
Уровни значимости p = 1 - P
0,20
0,10
0,05
0,02
0,01
0,005
0,001
3,08
1,89
1,64
1,53
1,48
1,44
1,42
1,40
1,38
1,37
1,36
1,36
1,35
1,34
1,34
1,34
1,33
1,33
1,33
1,33
1,32
1,32
1,32
1,32
1,32
1,32
1,31
1,31
1,31
1,31
1,30
1,30
1,29
1,28
6,31
2,92
2,35
2,13
2,02
1,94
1,90
1,86
1,83
1,81
1,80
1,78
1,77
1,76
1,75
1,75
1,74
1,73
1,73
1,73
1,72
1,72
1,71
1,71
1,71
1,71
1,70
1,70
1,70
1,70
1,68
1,67
1,66
1,64
12,71
4,30
3,18
2,78
2,57
2,45
2,37
2,31
2,26
2,23
2,20
2,18
2,16
2,15
2,13
2,12
2,11
2,10
2,09
2,09
2,08
2,07
2,07
2,06
2,06
2,06
2,05
2,05
2,04
2,04
2,02
2,00
1,98
1,96
31,82
6,97
4,54
3,75
3,37
3,14
3,00
2,90
2,82
2,76
2,72
2,68
2,65
2,62
2,60
2,58
2,57
2,55
2,54
2,53
2,52
2,51
2,50
2,49
2,48
2,48
2,47
2,47
2,46
2,46
2,42
2,39
2,36
2,33
63,66
9,93
5,84
4,60
4,03
3,71
3,50
3,36
3,25
3,17
3,11
3,06
3,01
2,98
2,95
2,92
2,90
2,88
2,86
2,85
2,83
2,82
2,81
2,80
2,79
2,78
2,77
2,76
2,76
2,75
2,70
2,66
2,62
2,58
127,32
14,09
7,45
5,60
4,77
4,32
4,03
3,83
3,69
3,58
3,50
3,43
3,37
3,33
3,29
3,25
3,22
3,20
3,17
3,15
3,14
3,12
3,10
3,09
3,08
3,07
3,06
3,05
3,04
3,03
2,97
2,91
2,86
2,81
636,62
31,60
12,94
8,61
6,86
5,96
5,41
5,04
4,78
4,59
4,44
4,32
4,22
4,14
4,07
4,02
3,97
3,92
3,88
3,85
3,82
3,79
3,77
3,75
3,73
3,71
3,69
3,67
3,66
3,65
3,55
3,46
3,37
3,29
ПРИЛОЖЕНИЕ №2
Примерная форма бланка задания по выполнению лабораторной работы №4
Тестируемый глаз
Лев. Прав. Бин.
Х
0,5
1
2
3
Цвет тестового стимула
Кр. Зел. Син. Жел. Фиол. Голуб. Сер.
Х
Частота тестовых стимулов (цикл/градус)
4
5
6
8
10 12 14 16 18
Х
Х
Х
Х
Х
Х
Х
Х
Х
Х
Х
Х
Х
Яркость фона
20
22
24
Х
Х
Х
240
№ уч. группы
Фамилия И.О. испытуемого
Доверительная
вероятность (P)
Кол-во повторов
6541
Иванов И.И.
0,95
9
Дата проведения исследования: 15 апреля 2005
Тестируемый глаз
Лев. Прав. Бин.
Х
0,5
1
2
3
Цвет тестового стимула
Кр. Зел. Син. Жел. Фиол. Голуб. Сер.
Х
Частота тестовых стимулов (цикл/градус)
4
5
6
8
10 12 14 16 18
Х
Х
Х
Х
Х
Х
Х
Х
Х
Х
Х
Х
Х
Яркость фона
20
22
24
Х
Х
Х
240
№ уч. группы
Фамилия И.О. испытуемого
Доверительная
вероятность (P)
Кол-во повторов
6541
Иванов И.И.
0,95
9
Дата проведения исследования: 15 апреля 2005
Тестируемый глаз
Лев. Прав. Бин.
Х
0,5
1
2
3
Цвет тестового стимула
Кр. Зел. Син. Жел. Фиол. Голуб. Сер.
Х
Частота тестовых стимулов (цикл/градус)
4
5
6
8
10 12 14 16 18
Х
Х
Х
Х
Х
Х
Х
Х
Х
Х
Х
Х
Х
Яркость фона
20
22
24
Х
Х
Х
240
№ уч. группы
Фамилия И.О. испытуемого
Доверительная
вероятность (P)
Кол-во повторов
6541
Иванов И.И.
0,95
9
Дата проведения исследования: 15 апреля 2005
Преподаватель:
доц. Семенов Н.И.
178
ПРИЛОЖЕНИЕ №3
Внешний вид экранной оболочки программного обеспечения
в режиме задания параметров тестирования
лабораторная работа №4
179
МИНОБРНАУКИ РОССИИ
Санкт-Петербургский государственный электротехнический
университет “ЛЭТИ” им. В. И. Ульянова (Ленина)
БИОФИЗИКА
Дидактические материалы
Санкт – Петербург
Издательство СПбГЭТУ «ЛЭТИ»
2011
Экзаменационные вопросы по дисциплине “Биофизика”
1.
Структуры белка, взаимодействия (сильные и слабые) их определяющие.
2.
Нуклеиновые кислоты (база для чего и сколько канонических).
3.
Генетический код (кодоны), биосинтез белка.
4.
Клетка как структурная и функциональная единица живого организма.
5.
Клеточные мембраны, их структура, роль в жизнедеятельности клеток.
6.
Искусственные мембраны и их роль в изучении свойств биомембран.
7.
Диффузия и уравнения диффузии. Электрохимический градиент.
8.
Фильтрация и осмос, осмотическое и онкотическое давления.
9.
Активный транспорт веществ, его роль в поддержании ионных градиентов.
10.
Определение вязкости протоплазмы клеток.
11.
Определение поверхностного натяжения клеток сферической формы.
12.
Электрическое сопротивление клеток и тканей.
13.
Сопротивление нервного волокна, находящегося в электролите.
14.
Поляризация, частотные свойства биообъектов.
15.
Механизм возникновения биоэлектрических потенциалов.
16.
Доннановский равновесный потенциал.
17.
Расчет мембранной разности потенциалов.
18.
Потенциал покоя клеток, его физиологические функции.
19.
Потенциал
действия.
Энергия
раздражения
и
возбуждения,
порог
раздражения.
20.
Рефрактерные периоды, реобаза, хронаксия.
21.
Представление о модели Ходжкина-Хаксли.
22.
Распространение нервного импульса. Миелиновая оболочка нервного
волокна.
23.
Сальтаторная передача возбуждения.
24.
Синаптическая передача, химический и электрический синапсы.
25.
Трансформация ритма в синапсах.
26.
Теплообразование в организме теплокровных животных.
27.
Условия передачи тепла из организма в окружающую среду.
28.
Регулирование температуры в живых организмах.
29.
Мышечное сокращение. Структура мышц и мышечных белков.
30.
Механизм мышечного сокращения, роль кальция.
182
31.
Связь между силой сокращения и удлинением саркомера.
32.
Зрительный анализатор. Строение глаза как оптической системы.
33.
Системы саморегулирования в зрительном анализаторе.
34.
Фоторецепторная система глаза.
35.
Передача информации от фоторецепторных клеток.
36.
Фотохимические теории световой и темновой адаптаций. Закон Вебера-
Фехнера.
37.
Разрешающая способность глаза. Спектральная чувствительность.
38.
Субъективные и физические характеристики цвета.
39.
Субъективные эффекты при цветовых ощущениях.
40.
Трехкомпонентная теория цветового зрения, векторное представление цвета.
41.
Понятие о колориметрических системах.
42.
Кодирование информации в органе зрения.
43.
Слуховой анализатор. Восприятие звука. Механорецепция.
44.
Этапы преобразования сигнала в органе слуха, микрофонный потенциал.
45.
Кодирование информации в органе слуха.
46.
Вестибулярный аппарат, его строение и функции.
47.
Рецепция запаха и вкуса. Рецепция запаха и молекулярное узнавание.
48.
Стереохимическая теория восприятия запаха.
49.
Вкусовой анализатор, рецепторы вкусовых сосочков. Вкусовая адаптация.
50.
Кожный анализатор. Тактильная и температурная рецепции. Кожные
рецепторы.
51.
Рецепторы мышц и суставов.
183
Тестовые задания по дисциплине «Биофизика»
1. Отнесите животное к соответствующей группе, выделенной по степени развития
обоняния:
Аносматики – дельфин;
Микроосматики – человек;
Макросматики – бабочка.
2. Человек и собака относятся к одной группе животных по степени развития
обоняния?
Да
Нет
3. К какой группе животных по степени развития обоняния относятся собаки?
Аносматики;
Микроосматики;
Макросматики.
4. К тонко обоняющим животным относятся:
Муравьи;
Собаки;
Киты;
Бабочки;
Птицы;
5. Пахучее вещество должно быть:
летучим;
прозрачным;
легче воздуха;
растворимым в воде;
растворимым в липидах;
184
6. В соответствии со стереохимической теорией Эймура выделяют следующие
первичные запахи:
Ароматический;
Ванильный;
Вонючий;
Камфорный;
Мускусный;
Цветочный;
Мятный;
Пригорелый;
Эфирный;
Едкий (острый);
Гнилостный;
7. Наиболее признанной, в данный момент времени, теорией запаха является:
Стереохимическая теория («замка и ключа») Эймура;
Квантовая (резонансная, вибрационная) теория Райта;
Теория разделения пахучих веществ по спектру их поглощения в ультрафиолетовой
области;
8. В соответствии со стереохимической теорией Эймура запах вещества
определяется:
Формой молекулы пахучего вещества;
Размерами молекулы пахучего вещества;
Электрическим зарядом молекулы пахучего вещества;
Спектром поглощения молекулы пахучего вещества в ультрафиолетовой области;
Электромагнитным излучением в инфракрасной области спектра молекулы
пахучего вещества.
9. Острые и гнилостные запахи различаются между собой:
Формой молекулы пахучего вещества;
Размерами молекулы пахучего вещества;
Электрическим зарядом молекулы пахучего вещества;
Спектром поглощения молекулы пахучего вещества в ультрафиолетовой области;
185
Электромагнитным излучением в инфракрасной области спектра молекулы
пахучего вещества.
10. Адаптация к резким и сильным (по сравнению с другими) запахам наступает:
Быстрее;
Медленнее;
Одинаково.
12. Взаимное угнетения запахов:
Возможно;
Невозможно (происки рекламы);
Зависит от других факторов;
13. При раздражении запахом одной ноздри вторая:
Тоже адаптируется;
Не адаптируется;
Адаптируется значительно медленнее, чем первая.
14. Запах может трансформироваться в другой при понижении концентрации
пахучего вещества?
Да;
Нет;
15. Возбудимость обонятельных рецепторов зависит от:
Концентрации пахучего вещества;
Объемного расхода пахучего вещества;
Длительности стимуляции;
Самого запаха.
17. Обонятельная адаптация для разных веществ:
Различна;
Одинакова;
Может отсутствовать;
186
18. Восприятие звука представляет собой:
Механорецепцию;
Хеморецепцию;
Проприорецепцию;
19. Нижняя частота воспринимаемых человеком звуковых колебаний составляет:
20 кГц;
1 кГц;
200 Гц;
20 Гц;
20. Верхняя частота воспринимаемых человеком звуковых колебаний составляет:
20 кГц;
1 кГц;
200 Гц;
20 Гц;
21. Периферический отдел слухового анализатора включает:
Наружное ухо;
Промежуточное ухо;
Среднее ухо;
Внутреннее ухо;
22. Наружное ухо состоит из:
Слуховых косточек;
Ушной раковины;
Наружного слухового прохода;
Мембраны овального окна.
23. Резонансная частота слухового прохода составляет:
3 кГц;
5 кГц;
200 Гц;
20 кГц.
187
24. К функциям среднего уха относятся:
Защита внутреннего уха от перегрузки;
Усиление звуковых колебаний;
Трансформация звуковых колебаний в колебания жидкой внутренней среды;
25. Сколько существует основных механизмов защиты внутреннего уха от
перегрузки?
1
2
3
4
26. Укажите последовательность преобразования сигнала в органе слуха.
- предварительная фильтрация звуков наружным ухом;
- преобразование колебаний барабанной перепонки в колебания слуховых косточек;
- передача колебаний от слуховых косточек к гидродинамическим колебаниям
жидкости в улитке;
- сдвиг стереоцилий волосковых клеток;
- формирование рецепторных потенциалов и их преобразование в потенциалы
действия.
27. Интенсивность звука в слуховом анализаторе:
Кодируется количеством возбуждаемых рецепторов, настроенных на определенную
частоту;
Задается частотно-импульсным кодированием;
Кодируется по-разному в соответствии с его частотным диапазоном.
(Выбор одного из трех)
28. Определение направления звука происходит за счет фазового биноурального
эффекта?
Да
Нет
Не только.
188
29. Во внутреннем ухе расположены:
Улитка;
Слуховые косточки;
Вестибулярный аппарат;
30. К неслуховому лабиринту относятся:
Полукружные каналы;
Стремечко;
Маточка;
Мешочек;
Базилярная мембрана;
31. Задайте соответствие:
Маточка – горизонтальные ускорения;
Мешочек – Вертикальные ускорения;
Полукружные каналы – угловые ускорения.
32. Выделите термины, связанные со структурой неслухового лабиринта:
Отолитовая мембрана;
Базилярная мембрана;
Купула;
Гребешок;
Геликотрема;
33. В структуре кожи выделяют N основных слоев.
1, 2, 3, 4, 5.
34. Меланин расположен в следующем слое кожного анализатора:
Эпидермис;
Дерма;
Гиподерма.
189
35. Сосуды и нервы расположены в следующем слое кожного анализатора:
Эпидермис;
Дерма;
Гиподерма.
36. Задайте соответствие
Тельца Мейснера (осязательные тельца) – имеют удлиненно-овальную форму и
располагаются в сосочках кожного анализатора;
Колбы Краузе – имеют тонкую соединительнотканную капсулу овальной формы и
расположены в сосочках (кожного анализатора) и под ними.
Тельца Руффини - имеют тонкую соединительнотканную капсулу овальной формы
и расположены в глубоких отделах дермы и в верхних отделах гиподермы.
37. Тактильная чувствительность обеспечивается:
Инкапсулированными нервными окончаниями;
Свободными нервными окончаниями;
Инкапсулированными и свободными нервными окончаниями;
38. Рецепторы кожи (у человека) расположены на площади:
Менее 1,0 м2;
Менее 1,5 м2;
Более 1,5 м2;
39. К кожным ощущениям относят чувство:
Прикосновения;
Запаха;
Цвета;
Давления;
Боли;
Щекотки;
Вкуса;
190
40. Задайте соответствие:
а
б
в
Инкапсулированные нервные окончания: а – пластинчатые тельца (Фатера–
Пачини), б – тельца Мейснера, в – колбы Краузе
41. Терморецепторы кожи реагируют прежде всего на:
абсолютные изменения температуры;
относительные изменения температуры;
абсолютную температуру;
42. Задайте соответствие
Структура кожного покрова: I – эпидермис, II – дерма, III – гиподерма; слои
эпидермиса и дермы: 1 – роговой, 2 – стекловидный, 3 – зернистый, 4 – шиповидный, 5 –
базальный, 6 – сосочковый; 7 – сетчатый; 8 – волосяной фолликул, 9 и 10 – потовая и
сальная железы.
191
Болсунов Константин Николаевич
Садыкова Елена Владимировна
Чигирев Борис Иванович
Биофизика
Учебно-методический комплекс
Публикуется в авторской редакции
Подписагно в печать 07.03.11. Формат 60х84 1/16.
Бумага офсетная. Печать офсетная. Печ. л. 12,0.
Гарнитура «Times New Roman». Тираж 500 экз. Заказ №
Издательство СПбГЭТУ «ЛЭТИ»
197376, С.-Петербург, ул Проф. Попова, 5
