Коливальні системи біологічних організмів. Автоколивання

Міністерство освіти та науки україни

Національний Авіаційний Університет

Інститут Екологічної Безпеки

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Домашня робота

з дисципліни «Біофізика»

ТЕМА: «Коливальні системи біологічних організмів. Автоколивання»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Виконав:

студент групи 405 БТ

Панас І.Д.

Прийняв:

Іваніцький Є.С.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Київ – 2010

Зміст

 

Вступ....................................................................................................................... 1. ЕМП, БІОРИТМИ ТА  АДАПТАЦІЯ.................................................................. 2. Закон  золотої пропорції у коливальних  системах живих організмів............................................................................................ 3. ЗАХОПЛЕННЯ КОЛИВАНЬ  АВТОГЕНЕРАТОРІВ....................................... 4. ЗАХОПЛЕННЯ  ФАЗИ РИТМІВ У ЛЮДИНИ.................................................. 4.1. Дихальна синусова  аритмія.................................................................... 4.2. Взаємодія дихальної й рухової  систем і координація рухів кінцівок 4.3. Ектопічні пейсмекери серця................................................................... 4.4. Аритмія сну.............................................................................................. ВИСНОВКИ.............................................................................................................. Список  використаної літератури..........................................................

3 5   7 9 14 14 14 15 18 20 21

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВСТУП

Організм – складна біохімічна система. У клітинах живого організму щосекунди відбуваються мільярди біохімічних реакцій. Їх супроводжують генерація та випромінювання електромагнітних полів (ЕМП), які, крім енергії, містять інформацію про клітини та їх об’єднання (тканини, органи і системи). Людське тіло насичене електричними сигналами, які пов’язані з метаболізмом, діяльністю мозку, генерацією потенціалів, скороченням м’язів і п’єзоелектричним ефектом. В організмі наявні ендогенні постійні електричні поля, змінні електричні та магнітні поля, генеровані серцем, мозком, м’язами, кістковою тканиною та всіма живими клітинами. Оскільки енергія ендогенних електричних і магнітних полів мала, менша за теплову, А.С. Пресман висунув ідею щодо інформаційного впливу ЕМП: електромагнітне випромінювання від інфранизьких до надвисоких частот виконує інформаційну функцію, забезпечуючи всі необхідні для живого організму види зв’язку: із зовнішнім середовищем, усередині організму, між організмами. В останні роки теорія, згідно з якою електромагнітні поля в біологічних системах виконують регуляторну та інформаційну роль, розширила лави своїх прихильників, які знайшли нові докази на її підтримку. Зокрема, висловлено припущення, що хромосомний апарат клітин функціонує як джерело електроакустичних полів та одночасно як їхній уловлювач. Поля апарату клітин мають надмалу потужність і, ймовірно, є хвильовим інформаційним каналом, що з’єднує геноми окремих клітин організму в цілісну систему, подібну до комп’ютера. Таким чином, структури клітин мають високоорганізовану систему генерації ендогенних когерентних ЕМП широкого спектру частот. Клітина є джерелом і носієм складного електромагнітного поля, структуру якого породжують біохімічні процеси, вона постійно керує всім метаболізмом завдяки таким механізмам:

 

– механізм викликаних струмів (зовнішні низькочастотні магнітні поля стимулюють генерацію електричних полів та струмів у біологічних тканинах);

– механізм пари радикалів (статичні магнітні поля можуть змінювати швидкість перебігу хімічних реакцій, у яких беруть участь вільні радикали – магнітне поле розщеплює вільні радикали на пари з двома рівнями енергії, а це зумовлює збільшення кількості вільних радикалів, що уникають реакції перекомбінації);

 – механізм резонансу полів (низькочастотні магнітні поля разом зі статичним магнітним полем Землі впливають на переміщення іонів через мембрану клітин);

– механізм стохастичного резонансу: за деяких обставин доповнення малої кількості шуму до великого сигналу входу може дуже сильно збільшувати сигнал на виході та співвідношення «сигнал–шум» виходу;

– механізм біогенних магнетитів. В організмі людини наявний тонкодисперсний біогенний магнетит (Fe₃O₄), локалізований у головному мозку, у т. ч. в епіфізі та наднирниках, що здатен сприймати ЕМП.

 

Наслідком цих процесів стало обґрунтування наявності в організмі окремої функціональної системи регуляції електромагнітного балансу, так званої «екоцептивної» чи системи електромагнітного гомеостазу організму. Підлягаючи законам когерентності та резонансу, вона контролює всі процеси життєдіяльності, є найважливішим компонентом у підтриманні стабільності та просторової структури біологічних молекул, забезпечує оптимальне виконання функцій шляхом тісної взаємодії з іншими системами управління (нервовою, ендокринною та імунною). Вона стабілізує коливання ендогенних ЕМП організму, що змінюються при критичних відхиленнях комплексу таких фізичних факторів зовнішнього середовища, як ЕМП Землі чи техногенні ЕМП, що впливають на живі організми. Як і будь-яка система, вона представлена відповідними структурами на молекулярному і тканинному рівнях. Роль електром агніторецепторів на молекулярному рівні виконують молекули води та колагену, а на тканинному – точки акупунктури і канально-меридіанальна система, а також кластери біогенного магнетиту [1].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. ЕМП, БІОРИТМИ ТА АДАПТАЦІЯ

Біологічні ритми – циклічні коливання інтенсивності біологічних процесів і явищ, що періодично повторюються. Хоча вони є ендогенними, однак сформу валися в процесі еволюції під впливом космічної ритміки, що опосередкована переважно через ритмічні варіації природних ЕМП низьких і наднизьких частот. Періодичність процесів у живих організмах є відлунням періодичності макросвіту. Відповідно під впливом зовнішніх ЕМП в організмі людини відбуваються ритмічні зміни в часі найрізноманітніших параметрів на різних ієрархічних рівнях – від молекулярного до рівня організму, а саме: існування організму як єдиного цілого забезпечує синхронізація цих параметрів. Синхронізація – встановлення та підтримання такого ритму роботи коливальних контурів (осциляторів) організму, при якому їхні частоти рівні, кратні чи перебувають одна з одною в раціональних співвідношеннях. Під синхронізацією також розуміють зміну періоду ритму (здебільшого невелику), рівну періоду зміни фактора зовнішнього середовища. Явища такого типу, які називають «захопленням частоти», давновідомі для механічних та електричних систем при впливі на них зовнішнім періодичним сигналом. Можна припустити, що загальні закономірності, виявлені під час вивчення «захоплення частоти» на електричних і механічних системах, характерні і для біологічних автоколивальних систем. Якщо різниця частот автоколивальної системи та зовнішнього сигналу маленька, то «підлаштування» синхронізації частоти обов’язково відбудеться, навіть якщо синхронізувальний сигнал має дуже малу амплітуду. Таку синхронізацію коливань усередині організму і з зовнішніми природними коливаннями можуть забезпечити тільки ендогенні ЕМП. Усе це змушує по-новому подивитися на природу біоритмів та адаптацію організму людини. Адаптацію С.І. Степанова (1986) роз глядає як безперервний процес, що має як зовнішні, так і внутрішні суперечності. Зовнішні суперечності проявляються в тому, що організм перебуває в дуальних відношеннях із середовищем: з одного боку, він намагається досягнути узгодженості з ним, а з другого – зберігає певну неузгодженість, ніколи не досягаючи ідеальної гармонії, «підлаштування» до середовища. Це й дозволяє організму пристосовуватися, оскільки перебування в певній неузгодженості із середовищем тренує захисні механізми організму, підтримуючи їх у активному «робочому» стані, забезпечуючи тим самим ефективну мобілізацію сил у разі різкої зміни зовнішніх умов. Якщо адаптаційний процес відбувається спокійно, без особливих потрясінь для організму, коли стрес-фактори, що діють на організм, не виходять за помірні межі (стійкі процеси, «порядок», за термінологією синергетики), їхні впливи на біоритми незначні. Якщо адаптаційний процес відбува ється бурхливо, з вираженими і швидкими змінами в організмі, що може бути викликане дією сильних подразників або особливою динамічністю організму в певні періоди його індивідуального розвитку, то стан організму від циклу до циклу змінюється дуже помітно, коливальні процеси втрачають свою правильність і регулярність (нестійкі процеси, режими із загостренням, «хаос»). Спотворення біологічного ритму, трансформація його в неперіодичні коливання свідчать про різке загострення внутрішніх суперечностей адаптаційного процесу. Отже, здоровий організм підтримує відносну узгодженість різних коливальних процесів як за величиною, так і в часі, тоді як при патологічних процесах проявляється неузгодженість – десинхроноз, що при зводить до дезадаптації. Десихроноз безпосередньо пов’язаний із будь-яким видом стресу. Зокрема, Л.П. Агулова зауважує, що неспецифічною відповіддю на стрес є зміна між функціональної синхронізації, що проявляється різноманітними симптомами, які посилюються залежно від конкретної ситуації, тобто стресогенне те, що викликає потребу в новій адаптації, увімкненні нової пристосувальної програми, відмови від старої. Оскільки резонансним впливам і ступеню синхронізації підсистем організму відводять основну роль у його функціонуванні, а рівень синхронізації можна використовувати для оцінювання фізіологічної норми, то Л.Х. Гаркаві та Є.Б. Квакіна (1998) висловили припущення, що основним механізмом біологічної дії магнітного поля на рівні організму є система адаптаційних (антистресорних) реакцій, адже в їхньому розвитку важливу роль відіграють коливальні процеси, а кожній реакції властиві певні частотні характеристики на різних ієрархічних рівнях. Дослідники продемонстрували, що магнітне поле (МП) зумовлює розвиток неспецифічних адаптаційних реакцій, впливаючи через них на організм [1].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Закон золотої пропорції у коливальних системах живих організмів

В стані спокою серце  людини б'ється з частотою близько 60 ударів в хвилину. Серце як поршень  стискає, а потім виштовхує кров і жене її по тілу. Тиск крові змінюється в процесі роботи серця. Найбільшої величини воно досягає в лівому шлуночку серця в момент його стиснення (систоли). В артеріях під час систоли шлуночків серця кров'яний тиск досягає максимальної величини, рівної 115-125 мм ртутного стовпчика. У момент розслаблення серцевого м'яза (діастола) тиск зменшується до 70-80 мм рт.ст. Відношення максимального (систолічного) до мінімального (діастолічного) тиску становить у середньому 1,6, тобто близько до золотої пропорції.

Серце б'ється безперервно - від народження людини до її смерті. І його робота повинна бути оптимальною, зумовленою законами самоорганізації біологічних систем. А так, як золота пропорція є одною із найпоширеніших закономірностей в живій природі, природно було припустити, що і в роботі серця можливий прояв цього критерію. Ця гіпотеза і лежить в основі досліджень серцевої діяльності ссавців, проведених російським біологом В.Д. Цвєтковим.

 

Рис. 2.1. Електрокадріограма

 

Про діяльність серця  судять по електрокардіограмі - кривій, що відбиває різні цикли роботи серця.

На кардіограмі серця виділяється дві ділянки різної тривалості, відповідні систолічної (t₁) і діастолічної (t₂) діяльності серця. В.Д. Цвєтков встановив, що у людини і інших ссавців є оптимальна ("золота") частота серцебиття, при якій тривалості систоли, діастоли і повного серцевого циклу (T) співвідносяться в пропорції золотого перетину, тобто T: t₂ = t₂: t₁. Так наприклад, для людини ця "золота" частота дорівнює 63 удари серця в хвилину, для собак - 94, що відповідає реальній частоті серцебиття в стані спокою.

В. Д. Цвєтков встановив, що якщо взяти за одиницю середній тиск крові в аорті, то систолічний тиск крові в аорті становить 0,382, а діастолічний - 0,618, тобто їх відношення відповідає золотій пропорції. Це означає, що робота серця у відношенні тимчасових циклів і зміни тиску крові оптимізовані за одним і тим же принципом - закону золотої пропорції.

У медичній практиці про  роботу серця судять по пульсу. Виявилося, що пульсові (мінімальне і максимальне) тиски перебувають у відношенні золотий пропорції, причому це співвідношення в аорті не змінюється при зміні рівня навантаження і відповідно частоти серцебиття.

На думку В.Д. Цвєткова, організація серцевого циклу  відповідно до золотою пропорцією є  результатом тривалої еволюції ссавців, еволюції в напрямку оптимізації  структури та функцій, забезпечення життєдіяльності при мінімальних витратах енергії і "живого будівельного матеріалу".

Але не тільки діяльність серця людини, а й діяльність мозку  також підкоряється закону золотої  пропорції. І цей факт був виявлений  російськими фізіологами Соколовими.

Мозок людини являє собою  складну самоналаштовувану систему, основним призначенням якої є регулювання  діяльності різних органів людського  тіла, здійснення зв'язку людини з навколишнім  середовищем. У складі мозку розрізняють  сіру і білу речовини. Сіра речовина представляє скупчення нервових клітин, біла - нервових волокон, відростків цих клітин.. Нейрони мозку утворюють різноманітні мережі, які взаємодіють за допомогою електричних сигналів.

Конфігурації нейронних  мереж являються коливальними електричними мережами. Різним станам мозку відповідають електричні коливання з різними частотами, які можна виявити на електроенцефалограмах мозку.

Численні дослідження  показали, що в мозку здорової людини за різних його станах переважають  електричні коливання певних частот. Зміна активації мозку відбувається не безперервно, а лише дискретно, стрибками, від одного рівня до іншого. Кожному стану мозку відповідають специфічні хвилі електричних коливань.

Стану спокою відповідає найбільш стійкий a-ритм з частотами коливань переважно від 8 до 13 герц. Розумовій роботі відповідає, так званий, b-ритм з граничними частотами 14-35 герц; найбільш повільні коливання з частотою 0,5 - 4 Гц характерні для D-ритму, який відповідає стану глибокого сну. Нарешті при появі відчуття неприємності чи небезпеки у мозку домінує q-ритм з частотами від 4 до 7 Гц.

Крім значень граничних  частот електричних коливань мозку  різних ритмів, вони характеризуються і іншими величинами. Однією з таких  характеристик є середнє геометричній значення крайніх частот. Середня геометрична частота ділить діапазон частот будь хвилі мозку на високочастотну та низькочастотну області. Відношення цих смуг є постійна величина для даної хвилі - інваріант мозку. Цей інваріант був прийнятий Соколовими за основну характеристику ритмів мозку. Дослідники виявили, що для b-ритму, тобто для стану розумової роботи, цей інваріант збігається із золотою пропорцією. Для інших ритмів інваріанти відрізняються від золотої пропорції, але вони також є характерними числами 1,324 (для q-ритму), 1,272 (для a-ритму), 1,232 (для D-ритму), які збігаються з ,так званими, узагальненими золотими пропорціями.

Російський учений Б. Слуцький висунув дуже цікаву гіпотезу. Він виходить з того, що організм будь-якої тварини, в тому числі людини, являють собою біоритмічні систему, яка складається в процесі тривалої еволюції під впливом зовнішнього середовища - земних і космічних чинників. Отже, джерело електромагнітних коливань з частотою, які відповідають частоті електричних ритмів мозку, треба шукати у зовнішньому середовищі. Таким джерелом, на думку Б. Слуцького, є геомагнітне поле, що має частоту коливань 8 - 13 Гц - таку ж, як і a-ритм. Точно таку ж частоту мають і електростатичні хвилі атмосфери. Таким чином, можна ототожнити мозок з радіоприймальних пристроєм, який самонастроюється на частоту магнітного поля Землі. Але що є причиною інших коливань мозку? Це - питання, яке потребує ще більш ретельних досліджень у цій області і ці дослідження можуть привести до розкриття однієї з найбільш ретельно охоронюваних таємниць природи - таємниці організації та роботи мозку людини, закономірностей його еволюції [3].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. ЗАХОПЛЕННЯ КОЛИВАНЬ АВТОГЕНЕРАТОРІВ

Для багатьох біологічних  ритмів кращим способом математичного  опису є використання диференціальних  рівнянь, що мають автоколивальні розв'язки. Тому що ці ритми взаємодіють один з одним і тому що є зовнішній періодичний вплив, важливо зрозуміти вплив періодичної зовнішньої сили на автоколивання. Прототипом моделей з періодично збурюваним граничним циклом є рівняння Ван-Дер-Поля із синусоїдальним. J.H. Jensen і співпр. показали, що синусоїдальний зовнішній вплив також приводить до хаотичної динаміки в математичних моделях нервової  і серцевої тканини, a Aihara і співпр. показали існування дивних атракторів при синусоїдальній стимуляції аксона кальмара.

Розглянемо тепер вплив  періодичної послідовності коротких імпульсів на коливання, пов'язані  із граничним циклом. У тому випадку, коли граничний цикл швидко досягається після одиночного стимулу й відома дія одиночного стимулу, можна легко розрахувати ефект періодичної стимуляції.

Основні поняття можуть бути отримані при розгляді ефектів  періодичного впливу на осциляторі Пуанкаре. Приймемо, що існує

Рис. 3.1.Схема моделі збурювання граничного циклу періодичним стимулом. За умови, що має місце швидке релаксаційне повернення до граничного циклу, можна вивести рівняння (3.3).

граничний цикл r = 1, що збурювання являє собою горизонтальне переміщення на величину b і що після збурювання система швидко наближається до граничного циклу. Дія одиночного стимулу, прикладеного у фазі φ, полягає в зрушенні граничного циклу в нову фазу, φ ':

   (3.1)

Функція g називається кривою фазового переходу (КФП). Якщо ф_i є фаза, що безпосередньо передує i-му стимулу, тоді фаза, що передує (i + 1)-му стимулу, є просто

      (3.2)

де τ - часовий інтервал між періодичними стимулами, нормований на власний період автогенератора (рис. 3.1.).

Для простої моделі із граничним циклом КФП обчислюється легко, і можна скористатися аналітичними й чисельними методами для визначення докладної структури зон захоплення фази, як функції амплітуди й частоти  стимулу.

 

Рис. 3.2.Схема організації зон захоплення фази при періодичній стимуляції нелінійного осцилятора на рис. 3.1. при допущенні про швидке релаксаційне повернення до граничного циклу після кожного стимулу. Структура язиків Арнольда обмежена зверху пунктирною лінією. Над цією лінією перебуває область складних біфуркацій, як показано в роботах Guevara and Glass (1982), Hoppensteadt and Keener (1982) і Keener and Glass (1984).