Влияние физических факторов на живые организмы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ЗМІСТ

 

ВСТУП                                                                                                             3

1. ВПЛИВ ЕЛЕКТРИЧНОГО СТРУМУ НА ЖИВІ ОРГАНІЗМИ           4                             
2. ВПЛИВ ОПТИЧНОГО ДІАПАЗОНУ НА ЖИВІ ОРГАНІЗМИ           8        
3. ВПЛИВ ІОНІЗУЮЧОГО ВИПРОМІНЮВАННЯ                                 21

ВИСНОВКИ                                                                                                   30

СПИСОК ВИКОРИСТАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ                                               31

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВСТУП

 

Актуальність: Напротязі всього розвитку життя на Землі, живі організми піддавалися впливу різних фізичних факторів, джерелами яких були космічні (Сонце, зорі) і земні (радіоактивні елементи земної кори) об'єкти. На сучасному етапі до природнього електромагнітного фону додався штучний – випромінювання радіостанцій, ядерних установок та ін. Все це може мати негативний вплив на біосистему, і навіть до летальних наслідків окремих організмів. Але з іншої сторони струм, деякі види випромінювання мають широке застосування в медицині, терапії і діагностиці.

Мета: Ознайомитися з природою деяких фізичних факторів, детально вивчити їх вплив,  механізми їх дії на живі організми.

Завдання: розглянути дію електричного струму, випромінювання оптичного діапазону, іонізуючого випромінювання як в цілому, так і на окремі біологічні макромолекули, реакції в організмі які відбуваються під їх впливом, позитивні або негативні наслідки їх впливу і можливе застосування їх в медицині.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВПЛИВ ЕЛЕКТРИЧНОГО СТРУМУ НА ЖИВІ ОРГАНІЗМИ

Під впливом електричного струму в живих організмах відбувається рух заряджених частинок, поляризація тканин і їх нагрівання (тепловий ефект). Постійний струм і змінний струм можуть становити небезпеку для організму. Уражаюча дія обумовлена струмом, а не напругою. Безпечною вважається сила струму нижче 0,01 А (хоча навіть слабкі струми позначаються на функціонуванні нервової системи); струм вище 0,1 А небезпечний для життя. Ступінь небезпеки, обумовлений струмом, залежить від шляху поширення струму по організму, наприклад, від того, проходить він через серце чи ні.

Найбільш вразливі до впливу струму є м'язи. Як відомо, електричний струм, що проходить через м'яз, викликає його скорочення. При цьому реакція м'яза залежить як від сили з якою подається струм, так і від тривалості його впливу.

Сила струму нижче певної граничної величини не викликає скорочення, так само, як і дуже короткочасний імпульс. Якщо імпульс був поодиноким, то за скороченням піде розслаблення, тобто м'яз здригнеться. Щоб м'яз після скорочення повністю розслабився, потрібно, щоб пройшов якийсь час. Тому, якщо імпульси йдуть один за іншим, причому інтервал між ними менше часу, необхідного для скорочення, то м'яз не встигає розслабитися і його скорочення триває стільки ж часу, скільки подаються збудливі імпульси. Такий стан м'яз називається тетанус. Імпульси постійного струму надають приблизно таку ж дію на організм, як і змінний струм. Тетанічне скорочення м'яз пояснює той факт, що людина, взявся за оголений дріт, не може його самостійно відпустити.

Електричний струм невеликої сили (0,01-0,025 А) може привести до розладу дихання (у разі скорочення дихальних м'язів), серцебиття і так далі; струм вищої сили (від 0,1 А) - до оборотної або необоротної зупинки серця. Дія електричного струму може також викликати денатурацію білка, опіки, як результат теплового ефекту.

Будь-яка біологічна система гетерогенна, її опір електричному струму визначається змінами в досить широких межах опору її складових частин.

Опір організму, перш за все, визначається опором шкіри, а ця величина, в свою чергу, залежить від її стану: товщини, вологості. Усередині тіла струм в основному поширюється по кровоносних і лімфатичних судинах, м'язах, і по оболонках нервових волокон. Опір тканин залежить від стану організму. Наприклад, опір збільшується при запальних процесах, що супроводжуються набуханням клітин, так як при цьому зменшується переріз міжклітинних з'єд- нань.

Зменшення опору, в свою чергу, відбувається при станах з підвищеною пітливістю.

Опір будь-якої системи змінному струму визначаться активним і реактивним (індуктивним і ємнісним) опорами. У живих системах в якості конденсаторів виступають біологічні мембрани, а системи, які виявляють індуктивні властивості відсутні. Тому повний опір - імпеданс - біологічних систем визначається тільки омічним (R) і ємнісним (Xc) опорами:

Z=     R² + X²_c 

Залежність імпедансу від частоти змінного струму відрізняються для здорових, хворих і мертвих тканин. На рис. 16.1.1 наведено якісний вид частотної залежності від імпедансу здорової (крива1) і мертвої (крива 2) тканин, в яких внаслідок впливу будь-яких вражаючих факторів (наприклад термічного впливу) зруйновані мембрани, тобто відсутній ємнісний опір.

Рис. 1.1 – частотна залежність імпедансу живої (1) і мертвої (2) тканин

Дослідження частотних залежностей імпедансу знайшли застосування в трансплантології, де вони проводяться перед пересадкою тканин і органів.

Імпеданс тканин та органів змінюється при наповненні кровоносних судин, тобто залежить від стану серцево-судинної системи. Реєстрація імпедансу тканин та органів в процесі серцевої діяльності лежить в основі діагностичного методу - реографії. Знімають реограми серця (реокардіограмми), головного мозку (реоенцефалограми), магістральних судин, легенів, печінки і кінцівок. Як правило, дослідження проводять при частоті 30 кГц.

Подразнення може викликати тільки такий струм, тривалість якого перевищує деякий мінімальний час, необхідний для збудження м'язового волокна. Так як із зростанням частоти струму тривалість подразнення знижується, то після досягнення деякої граничної величини частоти (10 – 5 Гц) струм вже не викликає скорочення м'язів. У цьому випадку він надає лише теплову дію.

Тепловий ефект електричного струму широко застосовується в медицині для прогрівання тканин, для чого використовують струм силою 10-15 мА, частотою 500 кГц (зміщення іонів, що викликається їм, не небезпечно для організму), напругою ~ 10 кВ. Високочастотні струми застосовуються у хірургії для з'єднання (діатермо-коагуляція) і розсічення (діатермотомія) тканин. Постійний струм широко використовується для введення лікарських речовин - електрофорезу. Під дією електричного поля іони лікарської речовини проникають через шкіру в тканини. Негативно заряджені частинки речовини (аніони) вводять з катода; позитивні (катіони) - з анода. Електрофорез має ряд переваг у порівнянні зі звичайними методами введення лікарських препаратів, так як дозволяє вводити їх безпосередньо в тканини, минаючи травний тракт і кров. Імпульсні струми застосовуються для стимуляції серця, нервових волокон, м'язів з метою відновлення їх скоротливої або провідної функції. Так, пропускання через серце короткочасних імпульсів струму (порядку мілісекунд) силою 10 А викликає рівномірну деполяризацію мембран і сприяє виникнення синхронного скорочення м'язів міокарда. При реанімації для цих цілей використовують спеціальний апарат - дефібрилятор. Залежно від амплітуди, тривалості і фор- ми імпульсів струм може викликати різну фізіологічну дію на організм.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВПЛИВ ВИПРОМІНЮВАННЯ ОПТИЧНОГО ДІАПАЗОНУ.

Дія інфрачервоного випромінювання на організм викликає відчуття тепла; видимого діапазону – зорові реакції, фотосинтез (утворення органічних сполук за рахунок енергії світла), фототаксис (рух мікроорганізмів до світла або від нього); Фототропізм (поворот листя і стебел рослин до світла або від нього); ультрафіолетового – синтез вітаміну D, еритему (почервоніння шкіри, викликане розширенням кровоносних судин шкіри), засмагу (утворення в шкірі пігменту меланіну), канцерогенез (утворення пухлин), надає бактерицидний ефект. З усього діапазону випромінювання людина має рецептори тільки до інфрачервоного випромінювання (терморецептори) і до видимого (зорові рецептори).

Процеси, що відбуваються в біологічних системах при дії випромінювання оптичного діапазону, називаються фотобіологічними. Виділяють такі їх стадії: фотофізичну – поглинання кванта світла і перенесення енергії збудженого стану; фотохімічну - хімічні перетворення молекул і фізіологічну – відповідь організму на випромінювання. Поглинання кванта випромінювання оптичного діапазону призводить до збудження молекули, а отже, до підвищення її реакційної здатності, в результаті чого можуть відбуватися хімічні реакції, які були б неможливі в темряві. Такі реакції називаються фотохімічними, а утворені в них продукти - фотопродуктами. Безпосередній вплив світла на хімічну речовину найчастіше призводить до утворення нестабільних продуктів, які в ланцюзі подальших реакцій перетворюються в стабільні. Ці реакції, як правило, вже не вимагають дії світла і тому називаються темновими.

Залежно від дії на біологічні об'єкти, в ультрафіолетовому діапазоні виділяють три зони: А-зона, або антирахітна (400 ... 315 нм), - викликає синтез вітаміну D; В-зона, або еритемна ( 315 ... 280 нм), - викликає утворення еритеми і сприяє синтезу пігменту меланіну, який має захисну дію при ультрафіолетовому опроміненні, оскільки поглинає кванти світла і одночасно є антиоксидантом ; С-зона, або бактерицидна ( 280 ... 200 нм), - викликає мутації, канцерогенез, має бактерицидний ефект; енергія випромінювання цього діапазону (3,1-6,8 еВ) достатня для дисоціації та іонізації молекул. Ультрафіолетове випромінювання з <200 нм дуже сильно поглинається, в тому числі і повітрям, тому його дія на біологічні об'єкти зазвичай не розглядається. Але ми розглянемо його пізніше.

У рослинах УФ-випромінювання змінює активність ферментів і гормонів, впливає на синтез пігментів, інтенсивність фотосинтезу і фотоперіодичної реакції. Не встановлено, чи корисні, і чи тим більше необхідні для проростання насіння, розвитку паростків і нормальної життєдіяльності вищих рослин, малі дози УФ-випромінювання. Великі ж дози, поза сумнівом, несприятливі для рослин, про що свідчать існуючі у них захисні пристосування (наприклад, накопичення певних пігментів, клітинні механізми відновлення від пошкоджень).

Основним природним джерелом ультрафіолетового випромінювання є Сонце. Сонячне випромінювання в цьому діапазоні значно поглинається озоновим шаром, причому поглинання тим вище, чим менше довжина хвилі. Тому поверхні Землі досягають в основному промені зони А і довгохвильової області зони В. Цей діапазон ультрафіолету називається екологічним. Діяльність людини за останні десятиліття привела до істотного зменшення озонового шару, що викликало посилення інтенсивності випромінювання в більш короткохвильовій області ультрафіолетового діапазону. Помічено, що зменшення на 1% поглинаючих властивостей озонового шару призводить до збільшення випадків захворювання раком шкіри на 2%. Ультрафіолетове випромінювання інтенсивно поглинається живими клітинами і практично не проходить на глибину більше ніж 1 мм. У людини ультрафіолетові промені поглинаються шкірою. Тому безпосередній ефект ультрафіолетового опромінення позначається саме на клітинах шкіри.

Дія ультрафіолету на шкіру помітно впливає на метаболізм нашого організму. Загальновідомо, що саме УФ-промені ініціюють процес утворення ергокальциферолу (вітаміну Д), необхідного для всмоктування кальцію в кишечнику і забезпечення нормального розвитку кісткового скелету. Крім того, ультрафіолет активно впливає на синтез мелатоніну і серотоніну - гормонів, що відповідають за добовий біологічний ритм. Дослідження німецьких вчених показали, що при опроміненні УФ-променями сироватки крові в ній на 7% збільшився вміст серотоніну - "гормону бадьорості", що бере участь в регуляції емоційного стану. Його дефіцит може призводити до депресії, коливань настрою, сезонних функціональних розладів. При цьому кількість мелатоніну, який має гальмуючу дією на ендокринну і центральну нервову системи, знизилася на 28%. Саме таким подвійним ефектом пояснюється бадьорість під дією весняного сонця, що піднімає настрій і життєвий тонус.

Дія випромінювання на епідерміс - зовнішній поверхневий шар шкіри хребетних тварин і людини, що складається з багатошарового плоского епітелію, призводить до запалення шкіри - еритеми. Перший науковий опис еритеми дав у 1889 р. А.Н. Макланов (Росія), який вивчав також дію ультрафіолетових променів на око (фотоофтальмію) і встановив, що в основі їх лежать спільні причини. Після припинення впливу УФ-опромінення, через 2 - 8 годин з'являється почервоніння шкіри (ультрафіолетова еритема) одночасно з відчуттям печіння. Еритема з'являється після прихованого періоду, в межах опроміненого ділянки шкіри, і змінюється засмагою і лущенням. Тривалість еритеми від 10 - 12 годин до 3 - 4 днів. Почервоніла шкіра гаряча на дотик, трохи болюча і здається набряклою, злегка набряклою.

По суті еритема являє собою запальну реакцію, опік шкіри. Це особливе, асептичне (Асептичний - безгнілостний) запалення. Якщо доза опромінення занадто велика або шкіра особливо чутлива до них, набрякла рідина, накопичуючись, відшаровує місцями зовнішній покрив шкіри, утворює бульбашки. У важких випадках з'являються ділянки некрозу (омертвіння) епідермісу. Через кілька днів після зникнення еритеми шкіра темніє і починає лущитися. У міру лущення злущується частина клітин, що містять меланін (Меланін - основний пігмент тіла людини; надає колір шкірі, волоссю, райдужній оболонці ока. Він міститься і в пігментному шарі сітківки ока, бере участь у сприйнятті світла), засмага бліднішає. Ефект опромінення залежить від проникаючої здатності променів і від товщини рогового шару. Чим коротша довжина хвилі випромінювання, тим менша їх проникаюча здатність. Промені коротші за 310 нм не проникають глибше епідермісу. Промені з більшою довжиною хвилі досягають сосочкового шару дерми, в якому проходять кровоносні судини. Таким чином, взаємодія ультрафіолетових променів з речовиною відбувається виключно в шкірі, головним чином в епідермісі. Основна кількість ультрафіолетових променів поглинається в ростковому (основному) шарі епідермісу. Процеси фотолізу і денатурації призводять до загибелі шилоподібних клітин зародкового шару. Активні продукти фотолізу білків викликають розширення судин, набряк шкіри, вихід лейкоцитів і інші типові ознаки еритеми. Продукти фотолізу, поширюючись по кровоносному руслу, подразнюють також нервові закінчення шкіри і через центральну нервову систему рефлекторно впливають на всі органи. Встановлено, що у нерві, який відходить від опроміненої ділянки шкіри, частота електричних імпульсів підвищується.