Закономерности биомеханического поведения человека в окружающей среде

В процессе жизни человек непрерывно взаимодействует с окружающей средой. Наиболее активная роль в этом взаимо­действии принадлежит двигательной деятельности человека, включающей как ориентировку в пространстве и во времени, так и непосредственно само движение. Сведения о природе и закономерностях движений постоянно расширяются. Этому во многом способствуют экспериментальные наблюдения и измерения, на основе которых разрабатываются теоретические положения, углубляющие наши знания. Реальный прогресс технической работы с человеком.

Среда обитания – это та часть природы, которая окружает живой организм и с которой он непосредственно взаимодействует. Составные части и свойства среды многообразны и изменчивы. Любое живое существо живет в сложном, меняющемся мире, постоянно приспосабливаясь к нему и регулируя свою жизнедеятельность в соответствии с его изменениями.

Отдельные свойства или элементы среды, воздействующие на организмы, называются экологическими факторами. Факторы среды многообразны. Они могут быть необходимы или, наоборот, вредны для живых существ, способствовать или препятствовать выживанию и размножению. Природные факторы имеют разную природу и специфику действия. Среди них выделяют абиотические и биотические, антропогенные.

Абиотические факторы - температура, свет, радиоактивное излучение, давление, влажность воздуха, солевой состав воды, ветер, течения, рельеф местности - это все свойства неживой природы, которые прямо или косвенно влияют на живые организмы.

Биотические факторы - это формы воздействия живых существ друг на друга. Каждый организм постоянно испытывает на себе прямое или косвенное влияние других существ, вступает в связь с представителями своего вида и других видов - растениями, животными, микроорганизмами, зависит от них и сам оказывает на них воздействие. Окружающий органический мир - составная часть среды каждого живого существа.

Взаимные связи организмов – основа существования биоценозов и популяций; рассмотрение их относится к области син-экологии.

Антропогенные факторы – это формы деятельности человеческого общества, которые приводят к изменению природы как среды обитания других видов или непосредственно сказываются на их жизни. В ходе истории человечества развитие сначала охоты, а затем сельского хозяйства, промышленности, транспорта сильно изменило природу нашей планеты. Значение антропогенных воздействий на весь живой мир Земли продолжает стремительно возрастать.

Хотя человек влияет на живую природу через изменение абиотических факторов и биотических связей видов, деятельность людей на планете следует выделять в особую силу, не укладывающуюся в рамки этой классификации. В настоящее время практически судьба живого покрова Земли, всех видов организмов находится в руках человеческого общества, зависит от антропогенного влияния на природу.

Один и тот же фактор среды имеет различное значение в жизни совместно обитающих организмов разных видов. Например, сильный ветер зимой неблагоприятен для крупных, обитающих открыто животных, но не действует на более мелких, которые укрываются в норах или под снегом. Солевой состав почвы важен для питания растений, но безразличен для большинства наземных животных и т. п.

Некоторые свойства среды остаются относительно постоянными на протяжении длительных периодов времени в эволюции видов. Таковы сила тяготения, солнечная постоянная, солевой состав океана, свойства атмосферы. Большинство экологических факторов - температура, влажность, ветер, осадки, наличие укрытий, пищи, хищники, паразиты, конкуренты и т.д.- очень изменчиво в пространстве и времени. Степень изменчивости каждого из этих факторов зависит от особенностей среды обитания. Например, температура сильно варьирует на поверхности суши, но почти постоянна на дне океана или в глубине пещер. Паразиты млекопитающих живут в условиях избытка пищи, тогда как для свободноживущих хищников ее запасы все время меняются вслед за изменением численности жертв.

Изменения факторов среды во времени могут быть:

1) регулярно-периодическими, меняющими силу воздействия в связи со временем суток, или сезоном года, или ритмом приливов и отливов в океане;

2) нерегулярными, без четкой периодичности, например, изменения погодных условий в разные годы, явления катастрофического характера - бури, ливни, обвалы и т.п.;

3) направленными на протяжении известных, иногда длительных, отрезков времени, например, при похолодании или потеплении климата, зарастании водоемов, постоянном выпасе скота на одном и том же участке и т.п.

Среди факторов среды выделяют ресурсы и условия. Ресурсы окружающей среды организмы используют, потребляют, тем самым уменьшая их количество. К ресурсам относят пищу, воду при ее дефиците, убежища, удобные места для размножения и т. п. Условия – это такие факторы, к которым организмы вынуждены приспосабливаться, но повлиять на них обычно не могут. Один и тот же фактор среды может быть ресурсом для одних и условием для других видов. Например, свет - жизненно необходимый энергетический ресурс для растений, а для обладающих зрением животных - условие зрительной ориентации. Вода для многих организмов может быть и условием жизни, и ресурсом.

2. Адаптации организмов

Приспособления организмов к среде носят название адаптации. Под адаптациями понимаются любые изменения в структуре и функциях организмов, повышающие их шансы на выживание.

Способность к адаптациям - одно из основных свойств жизни вообще, так как обеспечивает и саму возможность ее существования, возможность организмов выживать и размножаться. Адаптации проявляются на разных уровнях: от биохимии клеток и поведения отдельных организмов до строения и функционирования сообществ и экологических систем. Адаптации возникают и развиваются в ходе эволюции видов.

Основные механизмы адаптации на уровне организма:

1) биохимические-проявляются во внутриклеточных процессах, как, например, смена работы ферментов или изменение их количества;

2) физиологические - например, усиление потоотделения при повышении температуры у ряда видов;

3) морфо-анатомические - особенности строения и формы тела, связанные с образом жизни; 4) поведенческие - например, поиск животными благоприятных мест обитания, создание нор, гнезд и т. п.;

5) онтогенетические - ускорение или замедление индивидуального развития, способствующие выживанию при изменении условий.

Факторы среды оказывают на живые организмы различные воздействия, т.е. могут влиять как раздражители, вызывающие приспособительные изменения физиологических и биохимических функций; как ограничители, обусловливающие невозможность существования в данных условиях; как модификаторы, вызывающие морфологические и анатомические изменения организмов; как сигналы, свидетельствующие об изменениях других факторов среды.

3. Общие законы действия факторов среды на организмы

Несмотря на большое разнообразие экологических факторов, в характере их воздействия на организмы и в ответных реакциях живых существ можно выявить ряд общих закономерностей.

А) Закон оптимума.

Каждый фактор имеет определенные пределы положительного влияния на организмы (рис. 1). Результат действия переменного фактора зависит прежде всего от силы его проявления. Как недостаточное, так и избыточное действие фактора отрицательно сказывается на жизнедеятельности особей. Благоприятная сила воздействия называется зоной оптимума экологического фактора или просто оптимумом для организмов данного вида. Чем сильнее отклонения от оптимума, тем больше выражено угнетающее действие данного фактора на организмы (зона пессимума). Максимально и минимально переносимые значения фактора - это критические точки, за пределами которых существование уже невозможно, наступает смерть. Пределы выносливости между критическими точками называют экологической валентностью живых существ по отношению к конкретному фактору среды.

Рис. 1. Схема действия факторов среды на живые организмы

Представители разных видов сильно отличаются друг от друга как по положению оптимума, так и по экологической валентности. Так, например, песцы в тундре могут переносить колебания температуры воздуха в диапазоне более 80 °C (от +30 до -55 °C), тогда как тепловодные рачки Copilia mirabilis выдерживают изменения температуры воды в интервале не более 6 °C (от +23 до +29 °C). Одна и та же сила проявления фактора может быть оптимальной для одного вида, пессимальной – для другого и выходить за пределы выносливости для третьего (рис. 2).

Широкую экологическую валентность вида по отношению к абиотическим факторам среды обозначают добавлением к названию фактора приставки «эври». Эвритермные виды - выносящие значительные колебания температуры, эврибатные- широкий диапазон давления, эвригалинные - разную степень засоления среды.

Рис. 2. Положение кривых оптимума на температурной шкале для разных видов:

1, 2 - стенотермные виды, криофилы;

3-7- эвритермные виды;

8, 9 - стенотермные виды, термофилы

Неспособность переносить значительные колебания фактора, или узкая экологическая валентность, характеризуется приставкой «стено» - стенотермные, стенобатные, стеногалинные виды и т. д. В более широком смысле слова виды, для существования которых необходимы строго определенные экологические условия, называют стенобионтными, а те, которые способны приспосабливаться к разной экологической обстановке, - эврибионтными.

Условия, приближающиеся по одному или сразу нескольким факторам к критическим точкам, называют экстремальными.

Положение оптимума и критических точек на градиенте фактора может быть в определенных пределах сдвинуто действием условий среды. Это регулярно происходит у многих видов при смене сезонов года. Зимой, например, воробьи выдерживают сильные морозы, а летом гибнут от охлаждения при температуре чуть ниже нуля. Явление сдвига оптимума по отношению к какому-либо фактору носит название акклимации. В отношении температуры это хорошо известный процесс тепловой закалки организма. Для температурной акклимации необходим значительный период времени. Механизмом является смена в клетках ферментов, катализирующих одни и те же реакции, но при разных температурах (так называемые изоферменты). Каждый фермент кодируется своим геном, следовательно, необходимо выключение одних генов и активация других, транскрипция, трансляция, сборка достаточного количества нового белка и т. п. Общий процесс занимает в среднем около двух недель и стимулируется переменами в окружающей среде. Акклимация, или закалка, - важная адаптация организмов, происходит при постепенно надвигающихся неблагоприятных условиях или при попадании на территории с иным климатом. Она является в этих случаях составной частью общего процесса акклиматизации.

Б) Неоднозначность действия фактора на разные функции.

Каждый фактор неодинаково влияет на разные функции организма (рис. 3). Оптимум для одних процессов может являться пессимумом для других. Так, температура воздуха от +40 до +45 °C у холоднокровных животных сильно увеличивает скорость обменных процессов в организме, но тормозит двигательную активность, и животные впадают в тепловое оцепенение. Для многих рыб температура воды, оптимальная для созревания половых продуктов, неблагоприятна для икрометания, которое происходит при другом температурном интервале.

Рис.3. Схема зависимости фотосинтеза и дыхания растения от температуры

Жизненный цикл, в котором в определенные периоды организм осуществляет преимущественно те или иные функции (питание, рост, размножение, расселение и т. п.), всегда согласован с сезонными изменениями комплекса факторов среды. Подвижные организмы могут также менять места обитания для успешного осуществления всех своих жизненных функций.

Г) Разнообразие индивидуальных реакций на факторы среды. Степень выносливости, критические точки, оптимальная и пессимальные зоны отдельных индивидуумов не совпадают. Эта изменчивость определяется как наследственными качествами особей, так и половыми, возрастными и физиологическими различиями. Например, у бабочки мельничной огневки - одного из вредителей муки и зерновых продуктов - критическая минимальная температура для гусениц -7 °C, для взрослых форм -22 °C, а для яиц -27 °C. Мороз в -10 °C губит гусениц, но не опасен для имаго и яиц этого вредителя. Следовательно, экологическая валентность вида всегда шире экологической валентности каждой отдельной особи.

Д) Относительная независимость приспособления организмов к разным факторам. Степень выносливости к какому-нибудь фактору не означает соответствующей экологической валентности вида по отношению к остальным факторам. Например, виды, переносящие широкие изменения температуры, совсем не обязательно должны также быть приспособленными к широким колебаниям влажности или солевого режима. Эвритермные виды могут быть стеногалинными, стенобатными или наоборот. Экологические валентности вида по отношению к разным факторам могут быть очень разнообразными. Это создает чрезвычайное многообразие адаптации в природе. Набор экологических валентностей по отношению к разным факторам среды составляет экологический спектр вида.

Е) Несовпадение экологических спектров отдельных видов. Каждый вид специфичен по своим экологическим возможностям. Даже у близких по способам адаптации к среде видов существуют различия в отношении к каким-либо отдельным факторам.

Ж) Взаимодействие факторов. Оптимальная зона и пределы выносливости организмов по отношению к какому-либо фактору среды могут смещаться в зависимости от того, с какой силой и в каком сочетании действуют одновременно другие факторы. Эта закономерность получила название взаимодействия факторов. Например, жару легче переносить в сухом, а не во влажном воздухе. Угроза замерзания значительно выше при морозе с сильным ветром, чем в безветренную погоду. Таким образом, один и тот же фактор в сочетании с другими оказывает неодинаковое экологическое воздействие. Наоборот, один и тот же экологический результат может быть получен разными путями. Например, увядание растений можно приостановить путем как увеличения количества влаги в почве, так и снижения температуры воздуха, уменьшающего испарение. Создается эффект частичного взаимозамещения факторов.

Вместе с тем взаимная компенсация действия факторов среды имеет определенные пределы, и полностью заменить один из них другим нельзя. Полное отсутствие воды или хотя бы одного из основных элементов минерального питания делает жизнь растения невозможной, несмотря на самые благоприятные сочетания других условий. Крайний дефицит тепла в полярных пустынях нельзя восполнить ни обилием влаги, ни круглосуточной освещенностью.

Учитывая в сельскохозяйственной практике закономерности взаимодействия экологических факторов, можно умело поддерживать оптимальные условия жизнедеятельности культурных растений и домашних животных.

З) Правило ограничивающих факторов. Возможности существования организмов в первую очередь ограничивают те факторы среды, которые наиболее удаляются от оптимума. Если хотя бы один из экологических факторов приближается или выходит за пределы критических величин, то, несмотря на оптимальное сочетание остальных условий, особям грозит гибель. Любые сильно уклоняющиеся от оптимума факторы приобретают первостепенное значение в жизни вида или отдельных его представителей в конкретные отрезки времени.

Ограничивающие факторы среды определяют географический ареал вида. Природа этих факторов может быть различной. Так, продвижение вида на север может лимитироваться недостатком тепла, в аридные районы – недостатком влаги или слишком высокими температурами. Ограничивающим распространение фактором могут служить и биотические отношения, например занятость территории более сильным конкурентом или недостаток опылителей для растений. Так, опыление инжира всецело зависит от единственного вида насекомых – осы Blastophaga psenes. Родина этого дерева – Средиземноморье. Завезенный в Калифорнию инжир не плодоносил до тех пор, пока туда не завезли ос-опылителей. Распространение бобовых в Арктике ограничивается распределением опыляющих их шмелей. На острове Диксон, где нет шмелей, не встречаются и бобовые, хотя по температурным условиям существование там этих растений еще допустимо.

Чтобы определить, сможет ли вид существовать в данном географическом районе, нужно в первую очередь выяснить, не выходят ли какие-либо факторы среды за пределы его экологической валентности, особенно в наиболее уязвимый период развития.

Физиология человеческой деятельности.

Наиболее общая форма изучения существующих в Ф. т. закономерностей – анализ систем и механизмов, поддерживающих в организме Гомеостаз, т. е. постоянство состава и свойств внутренней среды и устойчивость функционирования организма, его органов и систем при изменении условий деятельности. Гомеостатическое регулирование обеспечивает постоянную количественную и качественную адекватность ответа организма на изменившиеся внешние и внутренние условия. Такое регулирование может осуществляться на разных уровнях с участием простых или более сложных систем организма, по-разному сочетать их функционирование. Так, для поддержания на постоянном уровне снабжения клеток организма кислородом существуют разнообразные физиологические механизмы, изменяющие деятельность в соответствии с потребностями организма, например могут изменяться ритм сокращений сердца, просвет кровеносных сосудов и др. (см. Кровообращение). Для решения практических вопросов в Ф. т. обоснована обязательность изучения 4 ключевых состояний систем гомеостатического регулирования: при оперативном покое (состояние готовности организма к деятельности), при переходе от оперативного покоя к состоянию напряжения (усиление имеющихся форм регуляции), затем к состоянию перестройки структуры гомеостата (в регуляцию вовлекаются новые механизмы) и, наконец, при переходе в состояние постепенного распада гомеостатической структуры, как единой системы. Так, по мере увеличения тяжести физической работы вначале происходит некоторое учащение и усиление сокращений сердца, расширяются сосуды работающих мышц и сужаются сосуды пищеварительной системы и кожи (состояние напряжения). Затем из клеток поступает в сосуды жидкость, а из селезёнки и печени – дополнительное количество эритроцитов, в мышцах увеличивается число сокращающихся волокон, ранее суженные сосуды кожи расширяются, включается потоотделение, потребление кислорода тканями уменьшается – возрастает т. н. кислородный долг (перестройка гомеостата). Если физическая нагрузка чрезмерна, сосуды паралитически расширяются и не реагируют на управляющие нервные импульсы, нарушается координация дыхания и кровообращения, ухудшается кровообращение мозга, возникают сердечная слабость, потеря сознания (разрушение гомеостатического регулирования). Знание этих состояний позволяет обосновывать физиологические критерии гигиенического нормирования, определять степень тяжести и вредности труда, регламентировать его режим.

Одно из основных понятий Ф. т. – понятие функционального состояния, т. е. интегрального (единого) комплекса наличных характеристик тех функций и качеств человека, которые прямо или косвенно обусловливают выполнение трудовой деятельности. Исходя из анализа динамики гомеостатического регулирования, выделяют 2 типа функциональных состояний: адекватной мобилизации и динамического рассогласования. Адекватная мобилизация, характерная для тренированного, физически подготовленного человека, определяется напряжением или частичной перестройкой гомеостатического регулирования, направленного на обеспечение деятельности, адекватной поставленным задачам. Динамическое рассогласование характеризуется таким изменением регулирования или его разрушением, которое приводит к нарушению координации функций и снижению эффективности деятельности или к невозможности продолжать работу. Динамическое рассогласование наблюдается при т. н. экстремальных условиях, утомлении, состоянии голода, жажды. Существенно в Ф. т. представление о стоимости деятельности, т. е. степени расходования и возможности восполнения тех физиологических резервов, которые вовлекаются в процесс деятельности даже при оптимальных условиях. Так, любая физическая работа сопровождается тратой энергии, связанной с расходованием запасных веществ, изменением структуры мышечных волокон, уменьшением содержания в них гликогена, солей натрия, калия, кальция, появлением в крови недоокисленных продуктов обмена веществ. Утомление – одно из следствий высокой стоимости деятельности. Ф. т. изучает пути уменьшения стоимости деятельности путем рациональной организации рабочего процесса.

Важная практическая задача современной Ф. т. – составление физиолого-гигиенического паспорта профессии, дающего оценку тяжести, напряжённости и вредности труда. Такие паспорта составляются для промышленных, с.-х., транспортных и многих др. видов труда. Особое внимание уделяется работе человека на конвейерных производствах, где важна проблема монотонии, т. е. такого труда, при котором долгое время стереотипно повторяется одно и то же движение или небольшая группа движений, или же когда на оператора постоянно действует один и тот же управляющий сигнал (см. Конвейер). Данные Ф. т. используются не только для регламентации самого труда, но и для разработки методов быстрого приспосооления человека к новым для него условиям. Это особенно важно при работе человека в мало освоенных географических районах – Арктике, Антарктиде, зонах пустынь и высокогорья, в космосе и др. Перед Ф. т. возникли новые задачи в связи с появлением систем автоматического управления и увеличением сферы операторского умственного труда. Одна из них – проблема умственного утомления, сенсорного голода и сенсорного пресыщения возникает, если человек работает в условиях соответственно интенсивного, недостаточного, или очень большого числа раздражителей, действующих на органы чувств, что ведёт к уменьшению или чрезмерному повышению общего тонуса центральной нервной системы. Требуют разрешения ставшие актуальными проблемы недостаточной двигательной активности (гиподинамия) и малых мышечных напряжений (гипокинезия), а также проблема резких нервно-эмоциональных напряжений.
Закономерности механики биологических сплошных сред.
Механические свойства биологических тканей

Рассмотрим важнейшие механические свойства биологических тканей, благодаря которым осуществляются разнообразные механические явления

- такие, как функционирование опорно-двигательного аппарата, процессы деформаций тканей и клеток, распространение волн упругой деформации, сокращения и расслабление мышц, движение жидких и газообразных биологических сред. Среди этих свойств выделяют:

- упругость - способность тел возобновлять размеры (форму или объем) после снятие нагрузок;

- жесткость - способность материала противодействовать внешней нагрузкой; эластичность - способность материала изменять размеры под действием внешних нагрузок;

- прочность - способность тел противодействовать разрушению под действием внешних сил;

- пластичность - способность тел хранить (полностью или частично) изменение размеров после снятия нагрузок;

- хрупкость - способность материала разрушаться без образования заметных остаточных деформаций;

- вязкость - динамическое свойство, которое характеризует способность тела противодействовать изменению его формы при действии тангенциальных напряжений;

- текучесть - динамическое свойство среды, которое характеризует способность отдельных его слоев перемещаться с некоторой скоростью в пространстве относительно других слоев этой среды.

Механические свойства мышц

Основная функция мышц состоит в преобразовании химической энергии в механическую работу или силу. Главными биомеханическими показателями, характеризующими деятельность мышцы, являются: а) сила, регистрируемая на ее конце (эту силу называют натяжением или силой тяги мышцы) и б) скорость изменения длины.

При возбуждении мышцы изменяется ее механическое состояние; эти изменения называют сокращением. Оно проявляется в изменении натяжения и длины мышцы, а также других ее механических свойств (упругости, твердости и др.).

Механические свойства мышц сложны и зависят от механических свойств элементов, образующих мышцу (мышечные волокна, соединительные образования и т.п.), и состояния мышцы (возбуждения, утомления и пр.).

Понять многие из механических свойств мышцы помогает упрощенная модель ее строения - в виде комбинации упругих и сократительных компонентов. Упругие компоненты по механическим свойствам аналогичны пружинам: чтобы их растянуть, нужно приложить силу. Работа силы равна энергии упругой деформации, которая может в следующей фазе движения перейти в механическую работу. Различают: а) параллельные упругие компоненты (ПарК) - соединительнотканные образования, составляющие оболочку мышечных волокон и их пучков, и б) последовательные упругие компоненты (ПосК) - сухожилия мышцы, места перехода миофибрилл в соединительную ткань, а также отдельные участки саркомеров, точная локализация которых в настоящее время неизвестна.

Сократительные (контрактильные) компоненты соответствуют тем участкам саркомеров мышцы, где актиновые и миозиновые миофиламенты перекрывают друг друга. В этих участках при возбуждении мышцы происходит механическое взаимодействие между актиновыми и миозиновыми филаментами, приводящее к изменению натяжения и длины мышцы.

Поскольку каждая миофибрилла состоит из большого числа (n) последовательно расположенных саркомеров, то величина и скорость изменения длины миофибриллы в п раз больше, чем у одного саркомера. Сила, развиваемая каждым из них, одинакова и равна силе, регистрируемой на конце миофибриллы (подобно тому, как равны силы в каждом из звеньев цепи, к концам которой приложены растягивающие силы). Эти же самые n саркомеров, соединенные параллельно (что соответствует большему числу миофибрилл), дали бы кратное увеличение в силе, но при этом скорость изменения длины мышцы была бы той же, что и скорость одного саркомера. Поэтому при прочих равных условиях увеличение физиологического поперечника мышцы привело бы к увеличению ее силы, но не изменило бы скорости укорочения, и наоборот, увеличение длины мышцы сказалось бы положительно на скорости сокращения, но не повлияло бы на ее силу.

Покоящаяся мышца обладает упругими свойствами: если к ее концу приложена внешняя сила, мышца растягивается (ее длина увеличивается), а после снятия внешней нагрузки восстанавливает свою исходную длину. Зависимость между величиной нагрузки и удлинением мышцы непропорциональна (не подчиняется закону Гука)

Сначала мышца растягивается легко, а затем даже для небольшого удлинения надо прикладывать все большую силу (иногда мышцу в этом отношении сравнивают с вязаными вещами: если растягивать, скажем, трикотажный шарф, то вначале он легко изменяет свою длину, а затем становится практически нерастяжимым).

Если мышцу растягивать повторно через небольшие интервалы Времени, то ее длина увеличится больше, чем при однократном «содействии. Это свойство мышц широко используется в практике при выполнении упражнений на гибкость (пружинистые движения, повторные махи и т.п.).

Длина, которую стремится принять мышца, будучи освобожденной от всякой нагрузки, называется равновесной (или свободной). При такой длине мышцы ее упругие силы равны нулю. В живом организме длина мышцы всегда несколько больше равновесной и поэтому даже расслабленные мышцы сохраняют некоторое натяжение.

Для мышц характерно также такое свойство, как релаксация – снижение силы упругой деформации с течением времени. При отталкивании в прыжках с места сразу после быстрого приседания прыжок будет выше, чем при отталкивании после паузы в низшей точке подседа: после паузы упругие силы, возникшие при быстром приседании, вследствие релаксации не используются.

Структура кожи и ее механические свойства
До недавнего времени кожа привлекала недостаточное внимание исследователей. Ситуация стала меняться сравнительно недавно. Последние исследования привели к лучшему пониманию особенностей этого органа.

Схематическое изображение разреза нормальной человеческой кожи приведено на рис. 4. В большинстве областей тела человека толщина кожи составляет несколько миллиметров. Кожа состоит из трех слоев: наружного - эпидермиса, основного или собственно дермы и подкожной жировой клетчатки.

Верхний слой – эпидермис /52/ состоит из многослойного ороговевшего эпителия, имеющего толщину от 0,1 до 1,5 мм. В тех участках, где кожа малоподвижна и подвергается значительным механическим воздействиям, эпидермис значительно толще. На стопах, ладонях и красной кайме губ толщина эпидермиса составляет 0,2-0,9 мм. На веках он очень тонок. Общая площадь эпидермиса - 1,5-2 м2. Масса – около 0,5 кг. Эпидермис состоит из нескольких слоев клеток. Наружный роговой слой эпидермиса состоит из мертвых клеток (чешуек), богатых белком кератином, которые постоянно слущиваются с поверхности кожи. Кератин может составлять 85% всех белков в слое. Ниже находится роговой слой. Из-за плотной упаковки он имеет значительную прочность и играет роль механического барьера. Толщина рогового слоя в разных участках кожи различна (обычно, от 10 до 20 мкм). Наибольшей толщины (до 600 мкм) он достигает в эпидермисе кожи ладоней и подошв. У мужчин роговой слой толще, чем у женщин. С возрастом этот слой истончается.

Под эпидермисом располагается дерма, которая обуславливает цвет кожи Дерма распадается на два слоя: поверхностный, в котором имеются кровеносные сосуды и нервы, и более глубокий слой, в котором находятся белковые волокна, обеспечивающие эластичность кожи. Волокна, в основном, содержат белки коллаген и эластин. Коллагеновые волокна прочны на разрыв и мало эластичны. Модуль упругости для них более 10х106 Н/м2. Эластиновые волокна, состоящие из эластина, менее прочны на разрыв, чем коллагеновые, но значительно более эластичны. Они могут растягиваться до 170% от длины покоя без остаточной деформации. Эластин сходен по механическим свойствам с резиной, имеет модуль упругости такого же порядка: (1-5)*105 Н/м2. Коллагеновые и эластиновые фибриллы, заключенные в мукополисахаридный гель, представляют более гомогенную по составу структуру, чем эпидермис.

Дерма плавно переходит в подкожную или жировую клетчатку. Она состоит из переплетающихся волокон, собранных в рыхлые толстые пучки, промежутки между которыми заполнены жировыми клетками. Подкожно-жировой слой располагается по телу неравномерно. Толщина его зависит от многих факторов: возраста, пола, питания, образа жизни и т.д. Клетчатка служит для защиты тела от травм, от переохлаждения, а также представляет собой питательный запас организма.

Наличие в коже многих слоев, обладающих своими собственными характеристиками, определяет гетерогенность ее механических свойств. Анизотропия некоторых механических характеристик обусловливает различное поглощение механической энергии в каждом из слоев, что проявляется в особенностях распространения механических волн на границе раздела этих слоев, обладающих разными вязко упругими свойствами.

Слоистое строение кожи затрудняло интерпретацию результатов исследования кожи. Теоретические модели не могли адекватно объяснить экспериментальные результаты исследований механических свойств кожи вследствие её сложной структуры. Аналогичные трудности возникали и при исследованиях методом вдавливания.

Попытка обойти возникающие трудности была предпринята недавно голландскими учеными при исследовании кожи задней стороны локтя. Они использовали инденторы разных диаметров: 1 мм, 0,5 мм 0,1 мм и 0,02 мм.

Предполагалось, что зависимость глубины погружения h от прикладываемого усилия для индентора диаметром 0,02 мм отражает твердость рогового слоя, 0,5 мм - дермы и 1 мм - подкожного слоя. На рис. 6 приведен график зависимости F/R от глубины погружения. Эти зависимости линейные в полном соответствии с уравнением (4) и, по-видимому, подтверждают предположения авторов. Упругость эпидермиса по величине больше упругости дермы, которая, в свою очередь, больше упругости подкожной клетчатки.

Состояние кожи изменяется как при возникновении патологии, так и с возрастом /7, 55-58/. По общему мнению, заметные возрастные изменения проявляются после 30-40 лет. При этом гистологически найдены следующие признаки: истончение эпидермиса после 60 лет, уменьшение содержания трансэпидермальной воды, уменьшение толщины кожи /57/ утолщение рогового слоя, истончение дермы. В то же время авторы /17/ путём исследования ультразвуком установили, то толщина кожи остаётся неизменной вплоть до 70 лет. С возрастом, по их мнению, изменяется эластичность кожи, что приводит к уменьшению первоначальной фазы эластических деформаций.

Как уже было указано выше, в работе /69/ в качестве количественного критерия оценки упругости кожи предложено использовать время возврата какой либо точки обследуемого участка кожи к исходной форме после импульсного деформирования. Это предложение основано на определении упругости, как свойства тела восстанавливать свою форму после действия силы. На основе экспериментальных исследований разработанного авторами устройства были сделаны следующие выводы: воспроизводимость результатов измерений не хуже 10%; упругость кожи практически не зависит от силы деформирующего воздействия: разброс параметров лежит в пределах воспроизводимости результатов измерений.

Типичные результаты измерения времени возврата деформированного участка кожи лба к исходной форме с использованием разработанного авторами устройства. Как видно из рис. 7, в процессе возвращения поверхности кожи к исходной форме можно выделить две стадии. Первая (быстрая) стадия характеризуется параметром А – характерным временем возврата кожи к исходной форме. Величина А, по мнению авторов, является основным количественным параметром, характеризующим упругость кожи. Вторая стадия (медленная) характеризуется величиной остаточных деформаций (параметр В) и временем окончательного возвращения поверхности кожи к первоначальной форме. Как следует из графиков, более молодая кожа (кривая а) характеризуется большей скоростью возврата к исходной форме и меньшей величиной остаточных деформаций. Анализ результатов измерений показал, что величина относительных колебаний упругости кожи в зависимости от возраста обследуемого (от 15 до 55 лет) достигал 5-кратного значения. При сравнении упругости кожи в различных областях тела у одного и того же пациента было выявлено, что параметры А и В варьируют в пределах ± 10%.

Одно из объяснений возрастных изменений упругости кожи состоит в предположении, что изменяется состояние сети эластичных волокон дермы. Другое объяснение – увеличивается количество сшивок внутри коллагеновых волокон /58/. Наличие сшивок подтверждается увеличением доли нерастворимой части кожи.

В течении всей жизни человека медленно, но неуловимо проявляются внешние признаки старения. Эти внешние признаки, в первую очередь, связаны с изменениями микрорельефа поверхности кожи (морщины). Микрорельеф кожи, во многом, определяет как внешний вид человека, так и тактильное восприятие его другими людьми (зрительное восприятие, приятность на ощупь).

Поэтому неудивителен интерес к объективному количественному описанию микрорельефа кожи человека, зависимостей микрорельефа от возраста и изменений его под действием лекарств и косметических средств.

Термин «микрорельеф» для кожи аналогичен по своей сути широко используемому в технике термину «шероховатость». Шероховатость – это совокупность неровностей с относительно малыми расстояниями между соседними точками измерений.

В своей основе методы определения микрорельефа кожи аналогичны методам определения шероховатостей поверхностей твёрдых тел /70/, хотя и с учетом свойств кожи.

Одним из старых методов является метод слепков. Метод состоит из следующих стадий: изготовление негативных реплик (отпечатков); получение с них позитивных копий (слепков) из полимеризующихся мелкодисперсных химических композиций (обычно на основе эпоксидных смол или полиметилметакрилата); собственно регистрацию позитивной реплики и анализ полученных результатов. Применительно к коже этот метод подробно разобран в работе /71/. Там же тщательно описаны достоинства и недостатки материалов, используемых для изготовления отпечатков и слепков. Запись профиля с позитивной реплики может выполняться стандартными методами с помощью механических или оптических профилометров (промышленных или разработанных специально для медицинских целей). В зависимости от условий могут анализироваться как отдельные (единичные) профили поверхностей (глубины и ширины борозд), так и их пространственные характеристики (плотность, ориентация, симметрия). Методики обработки результатов измерений продолжают совершенствоваться с применением современной техники (лазерной профилометрии, трёхмерной компьютерной обработкой негатива /72, 73/).

К числу недостатков этого метода следует отнести многоэтапный процесс измерения и наличие погрешностей при контакте материалов с кожей на этапе создания негативной реплики.

В значительной мере этих недостатков лишены ставшие популярные оптико-электронные методы изучения микрорельефа кожи /69/. В работе /69/ для измерения микрорельефа использовался оптический щуп. Последний представлял собой оптико-электронный прибор, позволяющий измерять рельеф исследуемой поверхности оптическим излучением. Регистрация информации о рельефе поверхности исследуемого участка кожи осуществлялся поточечно посредством механического сканирования. Разработанное устройство было использовано для изучения возрастных изменений кожи. Результаты отдельных измерений приведен на рис. 8. Из рисунка видно, что средняя величина рельефа поверхности колеблется в пределах 10-30 мкм как вдоль морщины, так и поперёк.

Эластические свойства сосудов

Как указывалось ранее, артерии и вены вносят лишь незначительный вклад в общее сопротивление кровотоку, который осуществляется через сосудистое русло. Поэтому мы обычно не придаем большого значения тому влиянию, которое оказывает изменение их диаметра на кровоток через системные органы. В то же время эластические свойства артерий и вен являются весьма важным фактором, влияющим на деятельность сердечно-сосудистой системы, так как эти сосуды могут функционировать как резервуары, и в них могут быть накоплены существенные количества крови.

Эластические свойства сосудов или отделов сосудистой системы часто характеризуются такой величиной, как растяжимость (С), которая отражает, насколько изменяется их объем (Д V) в ответ на определенное изменение трансмурального давления (АР):

Трансмуральное давление представляет собой разность между внутренним и внешним давлением на сосудистую стенку.

Эластические свойства вен важны для их функции по депонированию крови. Как видно по кривым зависимости давления от объема на рис. 7-7, вены более растяжимы, чем артерии. Так как вены столь растяжимы, что даже небольшие изменения периферического венозного давления могут вызвать перемещение существенного объема циркулирующей крови в периферический венозный пул или из него. Переход в вертикаль - нос положение тела, например, увеличивает венозное давление в нижних конечностях и способствует накоплению крови (создание пула) в этих сосудах, что соответствует перемещению из точки А в точку В на рис. 7-7.

К счастью, данный процесс может быть уравновешен активным сужением вен. Пунктирная линия на рис. 7-7 отражает взаимозависимость между венозным давлением и объемом, которая отмечается при сужении вен в результате сокращения гладкой мускулатуры вен. В суженных венах объем крови может соответствовать норме (точка С) или даже быть ниже нормы (точка D), несмотря на более высокое, чем венозное давление. Сужение периферических вен само по себе способно повышать периферическое венозное давление и перемещать кровь из венозного резервуара.

Эластические свойства артерий позволяют им функционировать в качестве резервуара в промежутке между сокращениями сердца. Артерии играют важную роль в превращении пульсирующего потока крови, изгоняемого из сердца, в постоянный поток через сосудистое русло системных органов. С этой точки зрения, артерии выполняют функцию буфера. В начале фазы быстрого изгнания объем артериальной крови увеличивается, так как кровь поступает в 1 аорту быстрее, чем она проходит в просвет системных артериол. Таким образом, часть той работы, которую сердце выполняет при выбросе крови, уходит на растяжение эластических стенок артерий. Ближе к концу систолы и на протяжении диастолы, артериальный объем уменьшается, поскольку кровоток, выходящий из артерий, превышает кровоток, поступающий в аорту. Находящаяся в растянутом состоянии артериальная стенка сокращается и при этом утрачивает накопленную потенциальную энергию. Данная энергия, перешедшая из одной формы в другую, и обеспечивает работу по продвижению крови через периферическое сосудистое русло во время диастолы. Если бы артерии представляли собой жесткие трубки, не способные аккумулировать энергию за счет эластического растяжения, артериальное давлением немедленно падало бы до нуля при окончании процесса каждого сердечного выброса.

Физиология крови

Кровь, лимфа, тканевая, спинномозговая, плевральная, суставная и другие жидкости образуют внутреннюю среду организма. Внутренняя среда отличается относительным постоянством своего состава и физико-химических свойств, что создает оптимальные условия для нормальной жизнедеятельности клеток организма.

Впервые положение о постоянстве внутренней среды организма сформулировал более 100 лет тому назад физиолог Клод Бернар. Он пришел к заключению, что «постоянство внутренней среды организма есть условие независимого существования», т.е. жизни, свободной от резких колебаний внешней среды.

В 1929 г. Уолтер Кэннон ввел термин гомеостаз. В настоящее время под гомеостазом понимают как динамическое постоянство внутренней среды организма, так и регулирующие механизмы, которые обеспечивают это состояние. Главная роль в поддержании гомеостаза принадлежит крови. В 1939 г. Г.Ф. Ланг создал представление о системе крови, в которую он включил периферическую кровь, циркулирующую по сосудам, органы кроветворения и кроверазрушения, а также регулирующий нейрогуморальный аппарат.

Объем и физико-химические свойства крови

Объем крови - общее количество крови в организме взрослого человека составляет в среднем 6 - 8% от массы тела, что соответствует 5 - 6 л. Повышение общего объема крови называют гиперволемией, уменьшение - гиповолемией.

Относительная плотность крови - 1,050 - 1.060 зависит в основном от количества эритроцитов. Относительная плотность плазмы крови - 1.025 - 1.034, определяется концентрацией белков.

Вязкость крови - 5 усл. ед., плазмы – 1,7 - 2,2 усл. ед., если вязкость воды принять за 1. Обусловлена наличием в крови эритроцитов и в меньшей степени белков плазмы.

Осмотическое давление крови – сила, с которой растворитель переходит через полунепроницаемую мембрану из менее в более концентрированный раствор. Осмотическое давление крови вычисляют криоскопическим методом путем определения точки замерзания крови (депрессии), которая для нее равна 0,56 - 0,58 С. Осмотическое давление крови в среднем составляет 7,6 атм. Оно обусловлено растворенными в ней осмотически активными веществами, главным образом неорганическими электролитами, в значительно меньшей степени – белками. Около 60% осмотического давления создается солями натрия (NаСl).

Осмотическое давление определяет распределение воды между тканями и клетками. Функции клеток организма могут осуществляться лишь при относительной стабильности осмотического давления. Если эритроциты поместить в солевой раствор, имеющий осмотическое давление, одинаковое с кровью, они не изменяют свой объем. Такой раствор называют изотоническим, или физиологическим. Это может быть 0,85% раствор хлористого натрия. В растворе, осмотическое давление которого выше осмотического давления крови, эритроциты сморщиваются, так как вода выходит из них в раствор. В растворе с более низким осмотическим давлением, чем давление крови, эритроциты набухают в результате перехода воды из раствора в клетку. Растворы с более высоким осмотическим давлением, чем давление крови, называются гипертоническими, а имеющие более низкое давление - гипотоническими.

Онкотическое давление крови - часть осмотического давления, создаваемого белками плазмы. Оно равно 0,03 - 0,04 атм, или 25 - 30 мм рт. ст. Онкотическое давление в основном обусловлено альбуминами. Вследствие малых размеров и высокой гидрофильности они обладают выраженной способностью притягивать к себе воду, за счет чего она удерживается в сосудистом русле, При снижении онкотического давления крови происходит выход воды из сосудов в интерстициальное пространство, что приводит к отеку тканей.

Кислотно-основное состояние крови (КОС). Активная реакция крови обусловлена соотношением водородных и гидроксильных ионов. Для определения активной реакции крови используют водородный показатель рН - концентрацию водородных ионов, которая выражается отрицательным десятичным логарифмом молярной концентрации ионов водорода. В норме рН – 7,36 (реакция слабоосновная); артериальной крови – 7,4; венозной – 7,35. При различных физиологических состояниях рН крови может изменяться от 7,3 до 7,5. Активная реакция крови является жесткой константой, обеспечивающей ферментативную деятельность. Крайние пределы рН крови, совместимые с жизнью, равны 7,0 – 7,8. Сдвиг реакции в кислую сторону называется ацидозом, который обусловливается увеличением в крови водородных ионов. Сдвиг реакции крови в щелочную сторону называется алкалозом. Это связано с увеличением концентрации гидроксильных ионов ОН и уменьшением концентрации водородных ионов.

В организме человека всегда имеются условия для сдвига активной реакции крови в сторону ацидоза или алкалоза, которые могут привести к изменению рН крови. В клетках тканей постоянно образуются кислые продукты. Накоплению кислых соединений способствует потребление белковой пищи. Напротив, при усиленном потреблении растительной пищи в кровь поступают основания. Поддержание постоянства рН крови является важной физиологической задачей и обеспечивается буферными системами крови. К буферным системам крови относятся гемоглобиновая, карбонатная, фосфатная и белковая.

Буферные системы нейтрализуют значительную часть поступающих в кровь кислот и щелочей, тем самым препятствуя сдвигу активной реакции крови. В организме в процессе метаболизма в большей степени образуется кислых продуктов. Поэтому запасы щелочных веществ в крови во много раз превышают запасы кислых, Их рассматривают как щелочной резерв крови.

Гемоглобиновая буферная система на 75% обеспечивает буферную емкость крови. Оксигемоглобин является более сильной кислотой, чем восстановленный гемоглобин. Оксигемоглобин обычно бывает в виде калиевой соли. В капиллярах тканей в кровь поступает большое количество кислых продуктов распада. Одновременно в тканевых капиллярах при диссоциации оксигемоглобина происходит отдача кислорода и появление большого количества щелочно реагирующих солей гемоглобина, Последние взаимодействуют с кислыми продуктами распада, например угольной кислотой. В результате образуются бикарбонаты и восстановленный гемоглобин, В легочных капиллярах гемоглобин, отдавая ионы водорода, присоединяет кислород и становится сильной кислотой, которая связывает ионы калия. Ионы водорода используются для образования угольной кислоты, в дальнейшем выделяющейся из легких в виде Н₂О и СО₂.

Карбонатная буферная система по своей мощности занимает второе место. Она представлена угольной кислотой (Н₂СО₃) и бикарбонатом натрия или калия (NaНСО₃, КНСО₃) в пропорции 1/20. Если в кровь поступает кислота, более сильная, чем угольная, то в реакцию вступает, например, бикарбонат натрия. Образуются нейтральная соль и слабодиссоциированная угольная кислота. Угольная кислота под действием карбоангидразы эритроцитов распадается на Н₂О и СО₂, последний выделяется легкими в окружающую среду. Если в кровь поступает основание, то в реакцию вступает угольная кислота, образуя гидрокарбонат натрия и воду. Избыток бикарбоната натрия удаляется через почки. Бикарбонатный буфер широко используется для коррекции нарушений кислотно-основного состояния организма.

Фосфатная буферная система состоит из натрия дигидрофосфата (NаН₂РО₄) и натрия гидрофосфата (Nа₂НРО₄). Первое соединение обладает свойствами слабой кислоты и взаимодействует с поступившими в кровь щелочными продуктами. Второе соединение имеет свойства слабой щелочи и вступает в реакцию с более сильными кислотами.

Белковая буферная система осуществляет роль нейтрализации кислот и щелочей благодаря амфотерным свойствам.: в кислой среде белки плазмы ведут себя как основания, в основной – как кислоты.

Буферные системы имеются и в тканях, что способствует поддержанию рН тканей на относительно постоянном уровне. Главными буферами тканей являются белки и фосфаты.

Поддержание рН осуществляется также с помощью легких и почек. Через легкие удаляется избыток углекислоты. Почки при ацидозе выделяют больше кислого одноосновного фосфата натрия, а при алкалозе - больше щелочных солей: двухосновного фосфата натрия и бикарбоната натрия.

Свертывающие механизмы

Свертывание крови (гемокоагуляция) – это жизненно важная защитная реакция, направленная на сохранение крови в сосудистой системе и предотвращающая гибель организма от кровопотери при травме сосудов.

Основные положения ферментативной теории свертывания крови были разработаны А. Шмидтом более 100 лет назад.

В остановке кровотечения участвуют: сосуды, ткань, окружающая сосуды, физиологически активные вещества плазмы, форменные элементы крови, главная роль принадлежит тромбоцитам. И всем этим управляет нейрогуморальный регуляторный механизм.

Физиологически активные вещества, принимающие участие в свертывании крови и находящиеся в плазме, называются плазменными факторами свертывания крови. Они обозначаются римскими цифрами в порядке их хронологического открытия. Некоторые из факторов имеют название, связанное с фамилией больного, у которого впервые обнаружен дефицит соответствующего фактора. К плазменным факторам свертывания крови относятся: Iф - фибриноген, IIф - протромбин, IIIф - тканевой тромбопластин, IVф - ионы кальция, Vф - Ас-глобулин (ассеlеrаnсе - ускоряющий), или проакцелерин, VIф - исключен из номенклатуры, VIIф - проконвертин, VIIIф - антигемофильный глобулин А, IXф - антигемофильный глобулин В, или фактор Кристмаса, Xф - фактор Стюарта - Прауэра, XIф - плазменный предшественник тромбопластина, или антигемофильный глобулин С, XIIф - контактный фактор, или фактор Хагемана, XIIIф - фибринстабилизирующий фактор, или фибриназа, XIVф - фактор Флетчера (прокалликреин), XVф - фактор Фитцджеральда - Фложе (высокомолекулярный кининоген - ВМК).

Методы определения вязкости жидкостей

Определение вязкости биологических жидкостей и, особенно, вязкости крови имеет существенное диагностическое значение. Разнообразные приборы, применяемые для этой цели называют вискозиметрами. Они подразделяются на два основных типа: капиллярные и ротационные.

В капиллярных вискозиметрах (вискозиметр Оствальда, Гесса) вязкость оценивается по объему жидкости, протекающему в единицу времени через капиллярную трубку под действием перепада давлений. Зная геометрические параметры капилляра, величину вязкости ньютоновских жидкостей можно расчитать по уравнению Пуазейля.

Для определения вязкости неньютоновских жидкостей (в частности, крови) предпочтительнее использовать ротационные вискозиметры. В них исследуемая жидкость помещается в зазор между двумя вращающимися цилиндрами. При этом измеряют угол поворота внутреннего цилиндра, определяют угловую скорость, а затем вязкость. Достоинством такого метода является возможность определять не только значение вязкости, но и ее зависимость от скорости сдвига. Следует помнить, что вязкость крови, определенная при помощи визкозиметра, иногда существенно отличается от вязкости крови в организме.