Романов - Биологическое действие вибрации и звука - 1991, страница 12

Третий пример: В опытах, проведенных на коловратках, показано, что вибрация особи с частотой 700 Гц и с ускорением 10 н увеличивает плодовитость на 230 ос'! В экспериментах на коловратках было обнаружено два исключительно интересных явления: во-первых, можно было предполагать, что способность репродуктивного аппарата задана генетически. Однако, как оказалось, она закреплена не столь жестко, внешние факторы в значительной степени могут ее изменить. Вовторых, выяснилось, что механические колебания способны оказывать свое действие на самые фундаментальные процессы жизнедеятельности особи, на судьбу популяции.

При других условиях вибрации по частоте и интенсивности плодовитость столь же резко подавляется. Эти примеры являются центральными в доказательстве биологически необходимого (именно необходимого) действия механических колебаний. Здесь уместно будет поставить еще один вопрос, касающийся частотной характеристики биологически значимых колебаний — вибрации и звука. Опыты и наблюдения показывают, что биологические структуры, будь то целый организм, клетки или ткани, реагируют на частоты низкой и крайне ограниченной области спектра (см.

рис. !). Вибрация вызывает те или иные морфофизиологические изменения в организме или в его тканях при частотах порядка от одного до нескольких тысяч герц. В большинстве экспериментальных данных этот спектр сужают еще более, примерно от 15 до 1000 Гц. Воспринимаемые органами слуха частоты несколько выше, например оптимум звуковых частот для человека 2500 — 3000 Гц. У других высших животных, например у дельфинов, летучих мышей, звуковые сигналы занимают ближайшую ультразвуковую область спектра (60 — 100 кГц). Естественно, возникает вопрос: почему из бесконечного частотного спектра вибрации и звука биологически значимой оказалась именно эта область? Едва ли сейчас без специальных исследований возможен исчерпывающий ответ.

Теперь мы уже хорошо знаем, что звук и вибрация с частотами от 1О до 2 — 3 тыс. Гц оказывает определенное биологическое действие на объекты всех уровней эволюционного развития: субклеточные структуры, клетки, ткани и организмы. Но мы почти ничего не знаем о биологическом действии колебаний с частотами, например, много ниже 10 Гц — инфразвука. Существует лишь предположение, что число автомобильных катастроф, не- выходов на работу по болезни, сердечных заболеваний на континенте, в тысячах миль от бушующего шторма в океане, связано с возникающим при штормах инфразвуком.

По мнению академика В. В. Шулейкина именно инфразвук является предвестником штормов. Еще меньше мы знаем о биологическом действии ультразвуковых частот порядка миллионов герц или, например, о биологическом действии космических явлений на рост биомассы, на численность популяций, на физиологические процессы и др. Ответ на поставленный вопрос может быть дан лишь в качестве предположения. Поставим вначале аналогичный вопрос, касающийся температуры. Почему для всего живот- вв .ного мира на Земле граница оптимальных температур находится в пределах очень узкой шкалы, примерно от 0 до 45'С? Вероятно, эта область температур является оптимальной для протекания физико- химических реакций, обеспечиваюших нормальное течение биологических процессов.

В случае, касающемся температуры, это предположение доступно экспериментальной проверке. Отвечая на вопрос: почему животный мир «избрал» указанные выше частоты звуковых колебаний, в обшем виде можно ответить, что действие звука и вибрации именно этих частот является оптимальным для протекания биологических реакций. Доказательством этого могут служить приведенные выше данные, в которых показано, что вибрация с частотой !00 Гц повышает резистентность мышц, увеличивает скорость белкового синтеза.

Эти и другие сведения подтверждают наличие оптимума частот. Это те частоты, которые участвовали в формировании биологических структур, которые и реагируют избирательно на эти частоты колебаний. Частоты других областей спектра, вероятно, также произво:дят биологическое действие, но через другой уровень организации: молекулярный и, возможно, атомный. БИОЛОГИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ СЛЫШИМОГО ЗВУКА До сих пор, оценивая биологические действия механических колебаний, мы специально не выделяли диапазон слышимого звука, полагая, что физическая природа вибрации и звука одна и та же.

Однако в механизме биологического действия между ними имеются существенные различия. В связи с этим мы сочли целесообразным детальнее рассмотреть биологическое значение слышимого звука. Роль звука в жизни животных и человека является предметом многочисленных и интенсивных исследований. В сводках дано современное представление о механизме генерации и восприятия звуковых сигналов, их значения в жизни животных. Ученые начинают расшифровывать язык звуков, его смысловое значение. Однако некоторые принципиальные аспекты проблемы оставались как бы вне поля зрения биологов.

Речь идет прежде всего о прямом действии слыши- 57 мого звука. Из того факта, что применительно к звуку, свету и температуре природа создала высокочувствительные приборы-приемники этих видов энергии, не следует, что другие (нерецепторные) клетки организма индифферентны к их действию. Также нет оснований считать, что клетки остаются индифферентными к тем видам энергии, для восприятия которых нет рецепторов (например, магнитные поля, радиация, ультразвук). Однако их действие является предметом интенсивных исследований.

Особенно всесторонним исследованиям подвергается радиобиологическое действие на живые системы всех уровней организации. В последние два-три десятилетия интенсивно изучается биологическое действие электромагнитных полей и ультразвука. Что касается биологического действия слышимого звука, то при этом в первую очередь обращалось внимание на звук как на дистантный раздражитель, служащий средством коммуникации.

Другой аспект проблемы — прямое действие звука на рецепторные клетки, как и на любые другие клетки, — оставался вне поля зрения исследователей. Кажется странным, что с древнейших времен до середины ХХ в. пытливый ум человека не обратил внимания на элементарно простой вопрос: как действует звук на живую клетку? Лишь в конце 40-х — начале 50-х гг. появилась серия работ, результаты которых прямо отвечают на этот вопрос. Наука раскрыла новый мир интимных отношений живой материи с окружающей средой.

Честь этого открытия принадлежит Д. Н. Насонову — создателю школы советских цитологов. Как и всякое открытие, после его объяснения, становится явлением вроде бы само собой разумеющимся. При этом забывается сложность первоначального подхода к проблеме. В самом деле, кому бы могла прийтн странная мысль выяснить, не «слышит» ли изолированная мышца лягушки или — и того более — не «слышит» ли белок, экстрагированный из этой мышцы? Причем слышит не вообще звук, как физический фактор, а именно звук диапазона частот, слышимых человеческим ухом. Казалось бы, нелепость этого вопроса вполне очевидна.

Однако если подойти к нему с точки зрения эволюции рецептора звука, то эта мысль приобретает глубокий биологический смысл. И действительно, чтобы в процессе эволюции воз- никли высокочувствительные рецепторы звука, надо, чтобы клетки всех первичных организмов обладали чувствительностью к звуковым колебаниям, иначе будет непонятна причина появления механорецепторов в эволюции.

Более того, надо, чтобы чувствительность первичных клеток соответствовала тем звуковым частотам, которые являются характерными именно для человеческого уха. Но такое проникновение в глубь эволюции свойственно лишь ученому-естествоиспытателю, способному предвидеть и предсказать явления, которые с первого взгляда кажутся маловероятными. Именно таким ученым и был Д. Н. Насонов. Пусть эти слова послужат, хотя и запоздалым, выражением благоговейной дани уважения учителю от ученика — автора этой книги. Данные о реакциях клеток и тканей организма на действие слышимого звука будут подробно изложены во второй главе.

Здесь нам хотелось подчеркнуть лишь ту мысль, что биологическое действие и биологическое значение слышимого звука вовсе не ограничиваются сигнальной ролью, а влияние его распространяется и на нерецепторные клетки, оказывая свое действие в процессе метаболизма. И еще одно биологически важное свойство звука хотелось бы здесь подчеркнуть — механические колебания (в частности, звуковые) несут в себе ритмическую природу. В биологических системах ритмический процесс является фундаментальным их свойством. «Природа не терпит пустоты, но очень любит ритмы» (Ф. Гольдекер, 1964). Откуда эта любовь к ритмам? Хочется связать ее с организацией биологических структур. Что значит чувство ритма? С физической точки зрения, любая конструкция обладает своей собственной (внутренней) частотой колебаний.