Колебательные процессы в живом организме

И методы их исследования

Приспосабливаясь к циклически изменяющейся среде, живые организмы эволюционно сформировали набор колебательных физико-химических процессов с разными периодами – своеобразную библиотеку программ поведения.

3.4.1. Околосуточные ритмы

Особой стабильностью обладают околосуточные, или, как их называют, циркадные ритмы живых организмов. Внутри суточного ритма имеется довольно сложная периодичность биохимических и физиологических процессов.

У человека, например, два максимума активности и два минимума, ночью температура тела снижается, а конечностей повышается, колеблется несколько раз в течение суток восприимчивость к лекарствам и ядам, рождаемость и смертность, меняется состав крови.

У живых организмов имеется несколько органов, связанных друг с другом: гипоталамус, (который как бы объединяет две системы регуляции: нервную и гормональную; в рамках системы организма периодичность работы гипоталамуса – 24 ч), гипофиз и другие железы, которые создают гормональные циклические процессы. Мозг и эндокринная система воздействуют на биологические часы других органов и клеток, например, клеток кишечника или сердца, причем каждая из систем не только испытывает влияние, но и сама оказывает обратное воздействие. Органы чувств получают информацию от внешней среды и передают ее в центральную нервную систему, синхронизируя ход внутренних процессов с внешними периодическими процессами.

Живой организм – это набор многих автоколебательных процессов с близкими к 24-часовому периодами (рис. 3.2), которые синхронизируются за счет внутренних обратных связей и внешних сигналов, приближаясь в некоторых пределах к наиболее быстрому процессу. Исследовать такую систему сложно, размыкание связей приводит к ломке всех процессов.

 

Рис. 3.2. Суточные ритмы различных процессов в живых организмах

 

3.4.2. Околочасовые ритмы

Подобные ритмы обнаружены у самых разных биологических объектов. Скорость синтеза белка, проницаемость клеточных мембран, количество РНК и белка и другие характеристики изменяются с околочасовой периодичностью во многих специализированных клетках: нервных клетках сетчатки, клетках мозжечка, секреторных клетках слюнных желез, клетках печени и поджелудочной железы. Причем, внешние факторы вызывают только синхронизацию колебаний, происходящих в клетках.

Однозначного ответа на вопрос синхронны ли околочасовые ритмы разных клеток живого организма, например, клеток печени и поджелудочной железы, пока нет.

Однако эксперименты показали, что ритм синтеза белка в печени, поджелудочной и слюнной железах крыс обнаруживает значительное сходство, хотя синтез и выделение пищеварительных ферментов в слюнной и поджелудочной железах регулируются разными способами. Оказалось, что и в клетках, культивируемых вне организма, сохраняются околочасовые ритмы (в первые сутки после посева клетки колеблются асинхронно, а затем между колебаниями возникает синхронизация).

Околочасовые колебания устойчивы к внешним воздействиям. Период меняется незначительно при изменении температуры от 18 до 37⁰С; лишь при 0⁰С колебания прекращаются. Механизм околочасовых клеточных ритмов весьма сложен. Так, известно большое количество несовместимых между собой биохимических реакциях, протекающих в клетке. Такие несовместимые биохимические превращения изолируются друг от друга соответствующей организацией во времени и пространстве. Например, в клетке пространственная организация процессов осуществляется многими способами:

–объединением функционально связанных катализаторов – ферментов в крупные макромолекулярные комплексы;

–присоединением ферментов в определенном порядке к внутриклеточным мембранам;

–разнесением несовместимых ферментов и полиферментных систем в различные отсеки, разделенные мембранами, обладающими селективной проницаемостью.

Однако не все конкурирующие процессы разделены в пространстве, например ферменты, катализирующие противоположно направленные процессы синтеза и расщепления глюкозы и гликогена – энергетического топлива, находятся в одном и том же отсеке. Для таких биохимических процессов основной формой организации является организация во времени, т.е. периодический порядок работы несовместимых процессов во времени.

Возможно автоколебательные биохимические реакции, обеспечивающие клетку энергией, выступают в роли главных внутриклеточных часов. Однако не исключена возможность существования и других ритмов в клетке, синхронизируемых энергетическим циклом, например, последовательность молекулярных процессов на расплетающихся в ходе клеточного цикла нитях ДНК или перенос определенного количества ионов, определяемый их концентрацией внутри клетки, через мембрану.

3.4.3. Собственные колебания различных органов человека

Многие органы человека – не что иное, как своеобразные резонансные контуры, настроенные на определенные частоты (рис.3.3).

Перечислим некоторые методики, применяемые для регистрации и дальнейшего изучения колебательных процессов, возникающих в организме человека в процессе его жизнедеятельности. Приведем значения собственных частот колебаний некоторых частей тела человека:

глаза – 40-100 Гц; сердце – 4-6 Гц; позвоночник – 4-6 Гц; желудок – 2-3 Гц; кишечник – 2-4 Гц; почки – 6-8 Гц;
голова – 20-30 Гц; вестибулярный аппарат – 0,5-15 Гц.

Кимограф – простейший самописец, применяемый для регистрации периодических процессов, происходящих в организме человека. Кимограф, в частности, используется для регистрации мышечных сокращений.

Кимограф (работающий от заведенной пружины) или электрокимограф (работающий от электродвигателя) служат для автоматической записи изменения измеряемой величины от времени. Идея кимографа – равномерное вращение или перемещение поверхности носителя информации (бумага, фотопленка). Смещение Y пера или капилляра, пропорциональное регистрируемой величине, является ординатой полученного графика.

 

 

Рис. 3.3. Характеристики некоторых циклических процессов в организме человека.

 

 

В медицинских исследованиях перо самописца с помощью специальных устройств соединено с датчиком, расположенным на исследуемом объекте. Равномерное перемещение носителя означает, что абсцисса прямо пропорциональна времени t. В результате полученная кривая отражает зависимость Y=f(t). По записанной на кимографе кривой можно не только судить о характере колебательного процесса, но и определить его важнейшие характеристики: период, частоту, амплитуду, декремент затухания и т.д.

Мастикациография – регистрация жевательных движений нижней челюсти человека. Принцип метода основан на регистрации колебаний воздуха в замкнутой системе при движении нижней челюсти. Амплитуда колебаний зависит от величины пищевого комка. С помощью мастикациограммы можно определить продолжительность жевательного цикла до глотания и его отдельных фаз, амплитуду открывания рта, количество жевательных движений в единицу времени, т.е. частоту открывания рта.

Апексакардиография – метод исследования деятельности сердца путем регистрации колебаний стенки грудной клетки.

Венография – метод графической регистрации пульсовых колебаний стенки вены.

Виброкардиография – метод регистрации и анализа механических колебаний грудной стенки на участке проекции сердца.

Механокардиография – метод графической регистрации низкочастотных колебаний грудной клетки, связанных с механической деятельностью сердца.

 

Задания для самоконтроля знаний

Задание 1. Вопросы для самоконтроля.

Какова роль механических колебаний в процессе жизнедеятельности организма человека?

2. Как изменяются со временем кинетическая, потенциальная и полная энергии тела при свободных незатухающих колебаниях?

Что такое затухающие колебания, какие величины характеризуют степень затухания? Каков физический смысл коэффициента затухания, декремента затухания? Как эти величины связаны между собой?

Что такое автоколебания и какова их роль в процессе функционирования отдельных систем организма человека?

Что называется резонансом, каковы опасности и возможности полезного применения этого явления?

Задание 2. Тесты для самоконтроля.

Вставьте пропущенное слово:

Время одного полного колебания называется …….

Единицей измерения фазы колебаний в системе СИ является

Декремент затухания определяется отношением двух последовательных амплитуд затухающих колебаний, разделенных интервалом времени, равным одному …….

Амплитуда затухающих колебаний убывает с течением времени по ………закону.

За время, равное половине периода, фаза колебаний изменяется на……

Найдите правильные ответы:

Анализатор используется для:

А. ультразвуковой локации сердца;

В. регистрации тонов и шумов сердца;

С. гармонического анализа колебаний;

Д. объективного анализа уровня шума.

Как называется величина, характеризующая число колебаний за 2 p секунды?

А. период;

В. частота;

С. циклическая частота;

Д. фаза колебаний.

В герцах измеряется

А. период;

В. частота;

С. циклическая частота;

Д. фаза колебаний.

Безразмерной величиной является

А. логарифмический декремент затухания;

В. декремент затухания;

С. коэффициент затухания;

Д. фаза колебаний.

Оцените правильность высказываний:

А. В автоколебательных системах возникают затухающие колебания собственной частоты;

В. примерами автоколебательных систем является многие биологические системы (сердце, легкие);

С. примером автоколебательной системы является генератор электромагнитных колебаний;

Д. в автоколебательной системе используется принцип обратной связи.

Ответы: 1 - периодом; 2 - радиан; 3 – периоду; 4 – экспоненциальному; 5 - 2p рад; 6 – С; 7 – С; 8 – В; 9 – А, В; 10 – В, С, Д.

Задание 3. Получите связь между единицами измерения:

коэффициента жесткости кН/см и Н/м

скорости колебания точки см/мин и м/с

ускорения колебания точки см/с² и м/с²

частоты колебаний мин^-1 и с^-1 (Гц)

 

Задание 4. Задачи медико-биологического содержания.

Задача №1. Барабан электрокимографа диаметром 16 см вращается с линейной скоростью 0,8 см/с. Пишущий элемент совершает колебания с частотой

1 Гц. Сколько полных колебаний будет записано на ленте за время одного полного оборота барабана?

Решение:

Запишем краткое условие задачи: D =16см, v =0,8см/с, n₀ =1Гц

Используя формулу связи линейной и угловой скоростей, угловую скорость вращения барабана: v=wR=wD /2; отсюда w= 2 v/D. Круговую частоту колебаний пишущего элемента найдем по формуле: w₀= 2 pn₀.

Количество полных колебаний, записанных кимографом за время одного полного оборота барабана, найдем из следующего соотношения: n=w₀/w= 2 pn₀D/ 2 v=pn₀D /v

Подставим числовые значения: n =3,14*1*16/0,8»62

Ответ: количество полных оборотов барабана кимографа равно 62.

Задача №2. Пишущий элемент кимографа совершает колебания по закону x =2 sin p (t -0,4). Определить амплитуду, период и начальную фазу колебаний. Через какое время после начала отсчета пишущий элемент будет проходить положение равновесия?

Решение:

Сравнивая данное уравнение x =2 sin(pt -0,4 p) с уравнением колебаний в общем виде x=Аsin( 2 pt/Т+j₀), получим: амплитуда колебаний А=2см; начальная фаза j₀=- 0,4 p; 2 p/Т=p, следовательно период Т =2с.

Когда пишущий элемент проходит положение равновесия, смещение x=0, т.е. 2 sinp( t-0,4)=0, что возможно при условии p(t- 0,4)= kp, где k =1, 2, 3,……; откуда t= (k +0,4)с.

Ответ: Амплитуда колебаний равна 0,02м, период равен 2с, начальная фаза колебаний j₀=-0,4p, минимальное время прохождения положения равновесия равно 0,4с.

Задача №3. При беге на средние дистанции колебания центра тяжести тела спортсмена можно рассматривать как гармонические. Считая наибольшее смещение центра тяжести спортсмена равным 10 см, определить максимальную скорость смещения его центра тяжести, если спортсмен делает 210 шагов в минуту.

Решение:

Запишем краткое условие задачи, переведя величины в систему СИ.

А =10см=0,1м; n =210мин^-1=3,5с^-1.

Максимальную скорость смещения центра тяжести определим по формуле:

V _max=| Aw |=|2 pnA |

Подставим численные значения: V =2×3,14×3,5×0,1»2,2(м/с).

Ответ: Максимальная скорость смещения центра тяжести спортсмена при беге равна 2,2 м/с.

Задание 5. Заполните таблицы:

Таблица № 1

Физическая величина	Обозначение	Формула	Единицы измерения в СИ
Период колебаний
Частота колебаний
Кинетическая энергия колеблющегося тела
Полная энергия гармонического колебания

Таблица № 2

Характер Колебаний	Сила трения	Внешняя периодическая сила	Вид системы (идеальная, реальная, изолированная, неизолированная)
Свободные незатухающие
Свободные затухающие
Вынужденные

 

Задание 6. Заполните ориентировочную карту действия:

Основные задания	Указания	Ответы
Почему резонансные явления, возникшие во внутренних органах человека при умеренных внешних воздействиях, не приводят к разрыву органов, повреждению связок и т.п.?	Проанализируйте значения коэффициента затухания колебаний в различных внутренних органах человека.
В приборах, регистрирующих изменение кровяного давления, при снятии электрокардиограмм, баллистограмм и т.п. нужно избегать любого резонанса. Как должны отличаться между собой собственная частота регистрирующего прибора и частоты регистрируемых колебаний?	Для ответа используйте условие резонанса.
Обычно амплитуда колебаний давления в слуховых путях превышает амплитуду тех колебаний, которые наблюдались бы в данном месте звукового поля при отсутствии человека. Чем можно объяснить это явление?	Учтите резонансные явления, возникающие в слуховых путях.
Барабанная перепонка в норме имеет неправильную форму и неравномерное натяжение на различных участках. Как это влияет на восприятие звуковых колебаний в диапазоне слышимых частот?	Используйте для анализа процесса понятие о резонансе и условие его возникновения.