Авг 30

Влияние гравитации

Хотя гравитация и является вездесущим и  константным феноменом, она создает очень  слабое поле. Например, гравитационное  притяжение между двумя протонами составляет:  только 10-36 от их электростатического  взаимного отталкивания [73]. Среди условий,  совместимых с жизнью животных, земная  гравитация настолько слабее, чем тепловая  энергия или межмолекулярные силы, что  вряд ли можно говорить о ее влиянии на  физическом уровне (атомы и молекулы)  организации жизни [189].  На субмикроскопическом и  микроскопическом уровнях организации различные  структуры остаются обычно нечувствительными к  силам, величина которых имеет порядок  земной гравитации. Например, заметное  перемещение органелл клеток животных требует  поля ускорения порядка 1000 G, а чтобы  расщепить большую молекулу (например,  белка) требуется поле порядка 100 000 G.  Однако даже в этих весьма интенсивных  полях частицы величиной менее 1 мк  подвергаются существенному влиянию диффузии —  тепловой эффект. Даже при 250 000 G  диффузией нельзя пренебречь, если размер  частиц меньше 0,05 мк.  Некоторые явления, которые кажутся  результатом гравитационных влияний на  молекулярном уровне, могут иметь иное  объяснение.

Энсаньян, например, сообщил об  изменении электрохимического потенциала во  время свободного падения. В таких системах  вызванная тепловым фактором конвекция  может весьма существенно влиять на  возникновение электродвижущей силы.  Следовательно, физическая основа наблюдаемых  изменений электрохимического потенциала при  кратковременной невесомости может играть  гораздо большую роль, чем молекулярный  фактор. Мел [148] сообщил о системе («Staflo»), в которой дискретность движущихся  вертикальных потоков раствора  поддерживается соответствующим градиентом  плотности. В этих растворах он заметил  избирательное движение молекул фермента вдоль  гравитационного поля. Взаимодействие  частиц и среды может вести к объединению  молекул в комплексы, которые по своим  большим размерам будут вполне чувствительны к  гравитации. Аналогичное объединение в  комплексы, что находит свое проявление в  движении частиц, наблюдалось во взвеси  эритроцитов, находящихся под влиянием  гравитации. Э. Г. Пикелс пришел к  заключению, что гравитация является силой,  оказывающей заметное осаждающее действие  только для объектов (в жидкостях),  имеющих величину, по меньшей мере, равную  эритроцитам.

Э. С. Поллард рассмотрел  теоретические основы, позволяющие предсказывать  влияние механических сил порядка земной  гравитации на клеточный уровень. Для  бактериальных клеток размером около 1 мк он  установил, что влияние гравитации на  статическое распределение в клетке больших  молекул было незначительным. Для более крупных клеток с относительно более крупными  и более плотными органеллами положение  было совсем другим. В соматической клетке  млекопитающего диаметром в 10 мк влияние  гравитации на распределение митохондрий  было потенциально весьма существенным.  Однако при сравнении перемещающего  действия гравитации с конвективным током,  вызываемым метаболической активностью  (локальные вариации плотности, возникающие  в результате относительного перемещения  смежных молекул), Э. С. Поллард пришел к  заключению, что отсутствие гравитации не  может существенно изменить (статическое)  распределение клеточных органелл.

Поллард рассмотрел влияние  гидростатического давления на мембраны и их  проницаемость в результате ожидаемой при этом  деформации мембран. На уровне соматической  клетки (размером 10 мк) нельзя ожидать  эффекта, вызванного гравитацией  гидростатического давления. Однако в целом организме  гидростатическое давление столба высотой в  1 м, оказываемое на клетку, лежащую в  самом низу, может вызвать достаточное  механическое напряжение, которое теоретически  способно нарушить ее проницаемость для  больших молекул.

Другие исследователи определяли  минимальный размер организма, на который  гравитация оказывает непосредственное  действие.

Томпсон [221] разделил организмы на три  категории по их чувствительности к  физическим силам:

организмы, имеющие размеры, близкие к  размерам человека, которые подвержены в  первую очередь влиянию гравитации;

более мелкие организмы (например,  насекомые), которые больше подвержены  влиянию таких сил, как поверхностное  натяжение;

микроорганизмы, которые в основном  находятся под действием вязкости,  броуновского движения и т. д.

Холден считал, что опасное действие  гравитации, проявляющееся при падении,  ограничивается животными, имеющими  размер более мыши.  Вент [230] выполнил очень интересный  анализ влияния размера (масштаба)  объектов на их чувствительность к различным  категориям сил. Он предложил, что  критический размер организма должен быть порядка  1 мм. При меньших размерах силы  молекулярного происхождения играют  доминирующую роль, а при больших размерах преобладают явления, связанные с гравитацией и массой (рис. 1).

Рис. 1. Размер тела и подверженность действию различных сил. Сравниваются линейные размеры тел и относительная роль в: сцеплении (слипании) между поверхностями, массе (весе) и кинетической энергии. Сцепление и кинетическая энергия представлены приблизительными величинами, определяемыми усредненной величиной неровностей поверхности и усредненной скоростью масс различного размера [230]

1 — сцепление (слипание);

2 — масса;

в — кинетическая энергия;

4 — клетка;

5 — человек.

Поскольку макро — и микросистемы имеют разную механику, Вент, различал их по формальным признакам:

«ньютоновский мир», состоящий из макросистем, поведение которых в, основном определяется явлениями, связанными с массой и ускорениями;

«джибсовский мир» (в честь американского физика-химика Джибса, 1839—1903), состоящий из микросистем, которые регулируются преимущественно силами молекулярного происхождения. Системы этой категории могут быть распознаны по тому, что их поведение зависит от изменений температуры.

Конечно, некоторые весьма важные исключения из «правила Вента» уже очевидны. Например, геотропизм деревьев должен начинаться на уровне клетки и проявляться при росте растения сразу после деления клеток. Иначе жесткая целлюлозная стенка не даст возможности проявиться реакции направления роста. Однако у высших животных поле ускорений оказывает действие на уровне органов и всего организма. Изолированные животные клетки (культура ткани) проявляют слабую реакцию или полное отсутствие реакции на ускорение до 200 G [84, 116]. Но у интактных гомойотермных животных можно заметить влияние относительно слабых полей ускорения (2—7G), а степень проявления эффектов высоких ускорений пропорциональна размерам тела. Клетки этих животных совершенно схожи, несмотря на большое разнообразие размеров их тела (закон Дриша о постоянстве клеточного объема), а различия проистекающие от разной чувствительности к ускорениям, впервые обнаруживаются на органном уровне. Оказывается, что даже слабые силы могут стать эффективными, если их влияние «усиливается» посредством большой массы тела. Например, силы притяжения Луны на поверхности Земли равняются приблизительно 2 • 10-6 G. Но когда эта маленькая сила прилагается к объему морей и океанов, то возникают приливы, обладающие огромной энергией. Сходная ситуация, хотя и в гораздо меньшем масштабе, обнаруживается у животных при умеренных изменениях поля ускорения. Например, поле ускорения в 1 G, действующее на весь организм, может вызвать реакцию антигравитационных мышц, которая в тысячу раз больше, чем прямое действие ускорения на эти ткани. Таким образом, биологические эффекты ускорений, прилагаемых к сравнительно большим структурам, могут сфокусироваться на относительно небольшом участке и вызвать определенную специфическую реакцию (например, выделение гуморального агента или нервное раздражение).

Похожие статьи:

  1. Характеристики движения космонавтов в скафандрах в условиях невесомости и лунной гравитации – результаты Результаты Данные о влиянии одежды и гравитации, преодолении ирисовой диафрагмы...
  2. Рост и развитие животных и растений Влияние гравитации на развитие яиц земноводных имеет продолжительную историю исследования....
  3. Устойчивость человека к ускорениям и критерии ее оценки Оценка устойчивости организма к действию ускорений зависит от характера выбранного...

автор admin \\ теги:



Написать ответ

Вы должны войти чтобы комментировать.