Романов - Биологическое действие вибрации и звука - 1991, страница 2

1. Участки спектров различных видов энергии, вос- принимаемых рецепторами человека. Занкоренелгоры. Частоты: л — в границы чувствительности, б— оптимум по частоте; интенсивность: а — граница чувствительности; б †оптим по интенсивности; а — граница переносимости. Механорелелгоры (частоты, Гцн а — наиболее эффективные частоты, резонансные ллп органов н организма человека; б— резонансные частоты ллп белка, клеток; е — приблизительный спектр частот, воспринимаемый механорецепторани.

Терлорепелгоры: а †оптим; б — инфракрасные лучи; е — ультрафиоле- товые лучи; г — радиоволны, д — луч» Рентгена. земное с космическим. В сущности и механические факторы, которые нас здесь интересуют, также не являются специфически земными. Все виды проявления механической энергии (гравитация, давление, колебания) — суть явления космического порядка, как и другие физические факторы„ например свет, теплота, радиация.

К сожалению, мы пока мало знаем о доле участия каждого из этих факторов в формировании жизни на Земле, об их биологической роли на протяжении всей предшествующей эволюции. По этому поводу мы можем привести прекрасную мысль великого русского физиолога И. М. Сеченова о том, что внешняя среда должна входить составной частью в понятие жизнь. Вопрос о связи живой материи с механическими колебаниями приобретает характер глобальной проблемы в биологии — жизнь н внешняя среда. Какую долю участия звук и вибрация приобретают (прннимают) в формировании и развитии жизни на Земле? Почему в бесконечном по частоте и интенсивности спектре звука и вибрации оптимальным для живой материи явля. ется лишь ничтожно малый его участок (см. рис. !). Этот вопрос — основной, и мы, в пределах своей компетенции, будем его обсуждать в разных аспектах на протяжении всей книги.

В первой главе приводятся данные о чувствительности животных различного уровня эволюционного развития к звуку и вибрации. Обсуждается природа этой чувствительности. Далее по ходу обсуждения ставится вопрос о необходимости различать первичную и вторичную роль механических колебаний в жизни животных и человека. Выдвигается тезис, что первичная роль механических колебаний связана с формированием биологических структур, с непосредственным их участием в биологических (метаболических) процессах; вторичная роль связана с обеспечением особи необходимыми условиями в борьбе за существование.

Эта роль имеет экологическое, популяционное значение. Говоря о чувствительности животных различных таксономическнх групп к вибрациям и звуку, следует подчеркнуть, что, когда речь идет о чувствительности особи к механическим колебаниям, имеется в виду чувствительность механорецепторов. Действие механических раздражителей на нерецепторные клетки и ткани, тем более в сравнительном аспекте, насколько нам известно, никогда не было предметом исследований. Такой проблемы, к сожалению, нет и теперь. Внимание биологов (зоологов) концентрировалось на изучении механочувствительности ведущих систем организма: органов чувств, пищеварения, органов движения, репродукции, изучалась их эволюция. Какова эволюционная судьба клеток этих ведущих систем? Есть ли различие в чувствительности к механическим колебаниям нервных, мышечных и любых других клеток животных самых отдаленных друг от друга таксонов, например насекомых и млекопитающих? Этого мы не знаем.

Между тем, прежде чем в эволюции появились высокочувствительные рецепторы к различным видам энергии, все клетки, конечно же, обладали определенной чувствительностью к этому виду энергии. Меняется ли эта чувствительность в процессе эволюции, — мы также не знаем. Следовательно, о биологическом значении звука и вибрации в жизни человека мы можем судить лишь по степени чувствительности механорецепторного аппарата, по степени его сложности. Но и здесь также следует оговориться: эволюция любых структур и функций идет не прямолинейно, постепенно усложняясь в процессе эволюции. В основном структура механорецепторного аппарата и его чувствительность определяются экологическими факторами. Это значит, что в их эволюции возможны самые различные пути не только развития, но и утраты ранее созданных структур.

Мы не ставим своей задачей проследить пути развития механорецепторов. Нам хотелось бы показать на ряде примеров, как в различных физических средах: на суше, в воде, в воздухе, звуки и вибрация проявляли свое биологическое действие, какова чувствительность особи к их действию? Это, как мы полагаем, даст возможность оценить биологическую значимость звука и вибрации как факторов внешней среды. Перед тем как перейти к описанию чувствительности к звуку и вибрации животных, имеющих специальный рецепторный аппарат, мы сочли целесообразным кратко рассмотреть данные о чувствительности к этому физическому фактору биологических структур, не имеющих механорецепторов (вирусов, бактерий и их фагов), а также сведения .о чувствительности простейших.

ЧРВСТВИТЕЛЬНОСТЬ К ВИБРАЦИИ И ЗВРКР БИОЛОГИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ, ИЕ ИМЕЮЩИХ МЕХАИОРЕЦЕПТОРОВ Вирусы, бактерии и их фаги Вероятно, английские ученые Т. Адереен, Б. Винтере, Ш. Богге были первыми, начавшими еще в 40-х годах исследовать чувствительность бактерий и их фагов к звуку и вибрации. Было показано, что как сами бактерии, так и их фаги погибали от непрерывной вибрации с частотой 9000 Гц в течение 60 мин. Биологический интерес, однако, заключается не только в том, что бактерии и фаги погибали по1д действием вибрации, но и в том, что различные фаги, которые различаются между собой размерами и структурой, как и бактерии, обладают разной чувствительностью к действию этого фактора.

Так, уже через 1О мнн вибрации неповрежденных бактерий остается всего лишь 1 ош а из фагов: Тз — 0.7 ~4, Т4 — 0.009 о~~, Тз — 0.008 ~Д, тогда как фаги Тз сохранились неразрушенными 80 ~4, фаги Тг— 40 ош С физической точки зрения, эффект действия вибрации при прочих равных условиях зависит от линейных размеров объекта. Для звуковой вибрации существенным является соотношение длины волны колебательной системы с размерами объекта: чем мельче объект, тем меньше должна быть длина волны и, следовательно, тем выше должны быть частоты вибрации, Но, как видно из приведенных данных, это правило не строго соблюдается. Так, по линейным размерам изученная бактериальная клетка приблизительно на два порядка больше, чем фаги, и тем не менее через 5 мин вибрации неразрушенных бактерий остается 18 Я, а фагов только 1.8 о~~.

Сами фаги по размерам не столь резко различаются между собой. Например, Тз имеет головку диаметром 4500 нм, Т, — 6000 нм. Тогда как через 10 мин фаги Т4 практически разрушены полностью, а Тз — приблизительно на 20 ой. Разумеется, из этих наблюдений не следует, что законы механики оказываются нарушенными в случае действия энергии механических колебаний на живые системы, Дело в том, что строгость законов механики 11 распространяется на физические параметры взаимодействующих систем: количество энергии, масса, упругие свойства, линейный размер объекта, — тогда как чувствительность живого объекта вибрации определяется еще и особенностями биологической структуры.

Причем сама чувствительность оценивается не физическими характеристиками, а чаще всего специфическими биологическими. В этой связи следует упомянуть об исследованиях на бактериях гемолитического стрептококка. Было показано, что при действии вибрации их антигенные свойства сохраняются, а при действии других факторов, связанных с разрушением структуры, эти свойства утрачиваются. Интересно, что белок, экстрагированный из вирулентных штаммов, после вибрационного воздействия сохраняет иммунные свойства, т. е. адсорбируется антителами иммунной сыворотки.

Из этого следует, что вибрация действует лишь на общую структуру бактериальной клетки, не затрагивая ее белковых компонентов. Мы должны с самого начала подчеркнуть основную аксиому, от которой будем отправляться и которой будем руководствоваться на протяжении всей книги; звуки и вибрация (механнческие колебания) имеют своим единственным адресом действия механическую структуру. Только структура (несущая конструкция), гетерогенная по массе и упругим свойствам, является рецептором механических колебаний.

рассматривая с этой точки зрения результаты многочисленных исследований действия вибрации на бактериальные клетки, нельзя не заметить, что последние отличаются друг от друга, кроме других показателей, также и своей чувствительностью к вибрации, следовательно своей структурной организацией. Как показали опыты, из исследованных четырех видов бактерий наиболее резистентными оказались бактериальные клетки бацилус субтилус, причем для этого вида бактерий обнаружена резонансная частота 9065 Гц; при смещении частоты вибрации всего лишь на +.50 Гц эффект теряется.

Скажем здесь еще раз о роли линейных размеров объекта и реакции на вибрацию. Существует довольно распространенное представление, что эффект механических колебаний зависит от определенного соотношения размеров объекта с длиной волны колеблющейся системы таким образом, что чем ближе размер 1х объекта к размерам длины волны, тем эффект должен быть выше. В самом деле: примем размер клетки кишечной палочки в среднем равным 1О мкм, а при частоте вибрации, равной 9000 Гц, длина волны равна 15 см, т.

е. примерно на 3 — 4 порядка больше, чем бактери. альная клетка. Эта разница увеличивается еще примерно на два порядка в случае, если объектом являются вирусы. И действительно, было показано, что вибрация вируса табачной мозаики с частотой 9 кГц приводит к уменьшению двойного лучепреломления в потоке, к уменьшению яркости. Электронно-микроскопические исследования выявили, что палочки вируса с обычной длиной 270 мкм после вибрации уменьшаются примерно в 2 раза и имеют длины 140 мкм. Очевидно, как полагают авторы, вибра.

ция ломает палочки на две равные субъединицы. Говоря далее об этих исследованиях, следует обратить внимание на специфическое действие данного фактора. Известно, что термическая обработка, которая чаще всего применяется при исследовании вируса табачной мозаики, приводит к образованию нерастворимого белка и к освобождению нуклеиновых кислот, что не всегда желательно экспериментатору. Обработка культуры вируса вибрацией звуковой частоты сохраняет растворимость, т. е.