11273 (Биологический эффект действия звука и вибрации на клетки и ткани организма)

Контрольная работа

по биологии

2009

Содержание

Действие низкочастотной вибрации на клетки и ткани организма

Совместное действие шума и вибрации на организм животных и человека

Действие шума на организм человека и животных

Переносимость вибрации и звука

Действие низкочастотной вибрации на клетки и ткани организма

Физическая природа звука и вибрации одна и та же. В обоих случаях речь идет об упругих колебаниях, волнообразно распространяющихся в среде газообразной, жидкой и твердой. Вместе с тем, как мы уже отмечали, биологический эффект действия звука и вибрации на клетки и ткани организма далеко не одинаков. К сожалению, природа различий в действии этих двух физически родственных факторов во многом еще не изучена. Для эффективного действия вибрации существенным ее параметром являются ускорение, частота колебаний гравитационных сил, векторы этих колебаний. Для звука, однако, ведущими параметрами являются интенсивность, выраженная через давление, и так же, как для вибрации - частота: в первом случае вибрационная, во втором - звуковая. Но ближе эти различия до сих пор не установлены.

Для сравнения эффективности действия на один и тот же объект звука и вибрации проведены следующие опыты. Эстрагированный из мышц белок миозин подвергался действию звука. Эффективность действия звука оценивалась по степени денатурации белка. Оказалось, что при действии звука максимальный эффект наблюдается при частоте 3000 Гц. Далее, из раствора белка получали миозиновые нити и также действовали на них звуком различной частоты. Мерой оценки эффективности действия звука служила величина связываемого красителя нитями. Оказалось, что и в этом случае максимальный эффект действия звука наблюдается в области 3000 Гц. Именно эти объекты и гомогенат тех же мышц мы подвергали вибрации с различными частотами. Эффект действия вибрации оценивали по изменению ферментативной активности. Во всех случаях максимальный эффект наблюдался при вибрации частотой 200 Гц. Далее мы попытались найти наиболее эффективные частоты вибрации для мышцы, оценивая эффект вибрации также по изменениям АТФазной активности белка, экстрагированного из этой мышцы. Оказалось, что частотой, при которой все более нарушается ферментативная активность, также является частота 200 Гц.

Мы уже видели, что при действии звука с частотой на те же объекты никакого заметного эффекта не обнаруживается. Тогда как при вибрации с частотой 200 Гц в какой бы упаковке белок ни находился, вибрация будет оказывать на него максимальное действие. 200 Гц - это резонансная частота данного белка.

При сравнении эффективных частот звука и вибрации при их действии на самые различные по своим характеристикам клетки и ткани частота вибрации примерно на порядок ниже частоты звука. Природа этого различия пока не ясна.

Ниже приводятся данные серии экспериментов по выяснению действия низкочастотной вибрации на ткани и органы мышей. Результаты многочисленных опытов показали, что низкочастотные вибрации в большинстве исследованных тканей, за исключением селезенки и печени, вызвали заметные, статистически достоверные структурные изменения в клетках. Установлено также, что степень их изменения для каждой ткани и органа различна, что свидетельствует о их различии чувствительности к данным частотам вибрации. Более чувствительными оказались ткани нейрогенного происхождения, особенно при вибрации с частотой 25 Гц.

Оценивая роль частотных характеристик вибрации в ее биологическом действии на ткани организма, бросается в глаза одно удивительное и пока еще трудно объяснимое явление - отсутствие каких бы то ни было заметных изменений в тканях от вибрации с частотой 50 Гц. Почему вибрация с частотой 25 Гц вызывает довольно значительные субстанционные изменения тканей, но еще более значительными являются изменения, наблюдаемые при вибрации с частотой 75 Гц, а при 50. Гц - отсутствуют? К сожалению, для объяснения этого явления мы не имеем сколько-нибудь убедительных экспериментальных данных и вынуждены ограничиться некоторой аналогией, например с сердечной деятельностью. Как известно, сердце работает в строго постоянном ритме. Если мы будем подавать сигналы раздражения сердца в том же ритме, это будет способствовать улучшению его деятельности в привычном для него ритме. Представим себе, однако, подачу сердцу стимулов, попадающих в противофазу его ритма. Тогда неизбежны сердечные перебои с катастрофическим последствием для его дальнейшей судьбы. Нечто подобное можно представить и для других тканей, предполагая, что не только сердце, но и все живые ткани "работают" в определенном ритме, и ритм с такой частотой, подаваемый извне, будет вызывать лишь улучшение их деятельности. Напротив, другие ритмы, например 25 и 75 Гц, приведут к серьезным нарушениям и структуры, и функции этих тканей, что нами и наблюдалось.

Основной вывод из этой серии опытов заключается в том, что вибрация организма ин тото не отражается от поверхности тела животного, как это характерно для звука, а проникает во все органы и ткани, вызывая соответствующие нарушения их деятельности. Конечно, звуковые волны частично проникают через толщу тканей, но давление звуковой волны при этом значительно снижается, и поэтому наиболее эффективным местом действия звука являются рецепторы поверхности тела "экстероцепторы" - представители нервных центров. Поэтому становится понятным тот факт, что звук, в особенности смешанный шум, является источником головных болей, неврозов, психических расстройств. Вибрация же имеет своим адресатом действия структуры всех тканей организма, и, следовательно, патологические явления при ее действии на целый организм могут быть самые различные и в самых различных участках организма. Это определяется в значительной степени физическими характеристиками вибрации.

Приведем еще один поучительный пример, который подтверждает мысль о множественном характере явлений, вызываемых вибрацией, о многообразии патологических процессов, возникающих в результате ее действия.

Для белка - актомиозина резонансной частотой вибрации является 200 Гц. Кроме этой частоты значительный эффект вызывается и вибрацией с частотой 25 Гц; в какой бы упаковке белок ни находился - эти частоты его найдут. При действии вибрации с этой частотой белок теряет способность расщеплять АТФ, добывать энергию для работы мышц. Будем теперь, исходя из идеи, что характер патологии определяется физической характеристикой вибрации, подвергать животное вибрации с частотой именно в 25 Гц, заведомо зная, что кроме прочего белок при этом будет утрачивать АТФазную активность. Как это скажется на состоянии организма? Опыты подтвердили ожидаемые результаты. Животные, подвергавшиеся вибрации, утратили физическую силу держаться на воде, плавать. Эти данные в высшей степени поучительны. Становится понятным, почему экипажи вертолетов, трактористы, танкисты и вообще лица других профессий, казалось бы, не выполняя в процессе своей трудовой деятельности непосредственно физической работы, но подвергающиеся вибрации, ощущают невероятную физическую усталость. Теперь это явление уже экспериментально доказано.

В проведенных опытах обнаруживаются два очень важных факта. Во-первых, вибрация подавляет физическую выносливость в первые же часы своего действия, и этот эффект, по нашим данным, сохраняется в течение нескольких суток. Из этого следует очень важный практический вывод - необходимо исключать всякие физические нагрузки лицам, подвергавшимся в процессе трудовой деятельности вибрации. Во-вторых, вибрация нарушает одно из фундаментальных биологических свойств мышц - способность повышать функциональную активность посредством тренировки. После вибрации эту способность мышцы на какое-то время утрачивают.

Приведенные опыты показывают также исключительное значение избирательного действия вибрации в возникновении патологических процессов.

Совместное действие шума и вибрации на организм животных и человека

На производстве интенсивность шума часто превышает установленные гигиенические нормы по частоте и интенсивности. Довольно часто, в зависимости от характера производства, шум, как, впрочем, и вибрация, имеет прерывистый характер, который более вреден, чем сплошной. Проведены обследования рабочих судоремонтных предприятий, где частота вибрации доходила до 2000-3000 Гц, амплитуда - от 0.1 до 0.52 мм, а интенсивность шума - 105 дБ. Действие вибрации сочеталось с шумом указанной характеристики. В таких условиях у ряда рабочих наблюдались ангиоспазм, боли в пальцах, тремор конечностей, повышение кровяного давления.

Действие шума сказывается прежде всего на органах слуха, вызывая в них болевые ощущения. При этом наблюдается удивительный по своей природе феномен - асимметрия в изменении чувствительности уха. Отмечается также, что молодые рабочие более реактивны к совместному действию шума и вибрации. Это, возможно, связано с тем, что у пожилых рабочих с большим производственным стажем пороги слышимости повышены, часто наблюдается значительная потеря слуха. Напротив, у молодых рабочих каналом восприятия шума является орган слуха, функция которого еще не нарушена, и потому полностью воспринимается звуковая энергия в сочетании с вибрацией, вызывая наиболее ощутимые результаты.

Более подробные исследования совместного действия шума и вибрации проведены на крысах. Животные массой 180-200 г подвергались длительной, до двух недель, вибрации с частотой 6 Гц при амплитуде 0.033 мм и 10 Гц при амплитуде 0.020 мм. В этих условиях интенсивность шума равнялась 72 дБ. Реакция животных оценивалась по изменению содержания кортикостероида в плазме периферической крови, аскорбиновой кислоты в надпочечниках и веса надпочечников. В первые два дня опытов с сочетанием вибрации и шума вызывают снижение количества кортикостероидов в крови с 26% в контроле до 15.3% в опыте; чистый шум в этих условиях опыта достоверных изменений не вызывал, можно говорить лишь о некоторой тенденции к повышению. По мере увеличения срока действия исследуемых факторов, содержание кортикостероидов заметно уменьшается, и при действии только шума на 12-е сутки опытов содержание кортикостероидов оказалось одинаково уменьшено до 14.6% как в случае совместного действия вибрации и шума, так и одного лишь шума. Аналогичные результаты получены и при вибрации с частотой 10 Гц.

Проводились исследования продолжительного действия вибрации и шума. Было показано, что совместное действие вибрации и шума повышает содержание в крови сахара, холестерина, липопротеида. Оказалось, что рост животного резко замедлен - до 50-60%. Вероятно, в силу того, что вибрация и шум - одной физической природы, их совместное биологическое действие суммируется.

Действие шума на организм человека и животных

Два вида механических колебаний - звук и вибрации, принято различать по среде их передачи при распространении от источника генерации этих колебаний. Колебания, распространяющиеся по воздуху, называют звуковыми, и, в зависимости от частоты, их делят на колебания инфразвуковой области и области слышимых звуков. Частоты, превышающие указанные, относятся к ультразвуковой области. Шумы представляют собой смесь частот любой части звукового спектра.

Давно уже известно, что звук как смешанных, так и чистых тонов вызывает деструктивные изменения в биологических объектах. Долгое время биологи проявляли интерес к биологическому действию звука с точки зрения его экологического значения, физиологи исследовали механизм звуковой рецепции, врачи исследовали и контролировали нормальное и патологическое состояние органов слуха. Однако в настоящее время на человека действуют звуки небывалой интенсивности, в миллион раз превышающей ту, на фоне которой протекала вся предшествующая история его развития. Это приводит к глубоким патологическим процессам, угрожая в будущем судьбе человека - этого царя природы. Возникла настоятельная необходимость более глубокого исследования механизма биологического действия звуковой энергии, прежде всего смешанного спектра частот. Речь идет, как и в случае вибрации, о прямом, нерецепторном действии звуковых колебаний на клетки и ткани организма, минуя специализированный орган слуха. При этом следует помнить, что звуковые колебания продолжают свое патологическое действие на организм и в тех случаях, когда орган слуха, как некий предохранитель "высокого напряжения", выбывает из строя.

Сведения Всемирной организации здравоохранения о числе профессиональных заболеваний рабочих предприятий с повышенной интенсивностью шума, к сожалению, касаются лишь утраты слуха, жалоб на головные боли, неврозов и др. Это результат действия шума на рецепторы, но есть и прямое действие звука помимо рецепторов. Пока нет сводок о прямом действии механических колебаний инфра - и звукового диапазона частот, вследствие чего мы ограничимся лишь ссылкой на отдельные исследования, иллюстрирующие эффект биологического действия этого вида энергии. Известно, что действие мощных звуков на организм может привести к летальному исходу. Полагают, что гибель животных, подвергавшихся сильному звуковому воздействию обусловлена действием температуры, которая при этом развивается. Звуковая энергия, абсорбированная поверхностью тела животного, преобразуется в тепло, которое в случае превышения определенных границ и вызывает смерть. Авторы отмечают, что при частоте 3000 Гц смерть наступает в течение 9 мин. Возможно, что эта частота является резонансной, при которой амплитуда, и в данном случае кавитация, резко увеличивается.