Дек 24

Значение гравитационных сил в регуляции постоянства внутренней среды организма

Общепринято мнение, что жизнь возникла в условиях фактически постоянного действия земной силы тяжести. Организмы всех позвоночных, включая человека, состоят преимущественно из мягких тканей, жидкостей и скелета. Поскольку влияние гравитационных сил на эти структуры различно, достижение физиологического гомеостаза обеспечивалось в ходе эволюции установлением определенных соотношений между основными компонентами тела. Постоянство внутренней среды организма в значительной мере зависит от способности опорных структур противостоять действию гравитационных сил.

В процессе эволюции жизнь, вероятно, прошла через 3 стадии. Она появилась в водной среде, а затем распространилась на сушу и в атмосферу. Влияние веса на регуляцию жизненных процессов у организмов, обитающих в водной среде и на суше различно.

Поскольку организм животных, ведущих наземный образ жизни, состоит из структур различной плотности, внешние силы стремятся изменить его форму до тех пор, пока они не будут уравновешены другими силами. Возникающие при этом напряжения варьируют в различных точках тела и в конечном счете передаются на скелет. С увеличением весовой нагрузки на скелет должна увеличиваться и его прочность. Однако еще в 1638 г. Галилей отметил, что если вес тела, имеющего в простейшем случае кубическую форму, возрастает пропорционально его объему (или кубу линейного размера), то способность противостоять этому весу увеличивается лишь пропорционально площади поперечного сечения (или квадрату линейного размера). Поэтому у крупных наземных животных соотношение между массой скелета и массой тела больше, чем у мелких. Длительное воздействие перегрузок на центрифуге увеличивает это соотношение у подопытных животных, а также приводит к возникновению других морфологических и функциональных изменений. Устойчивость же к измененному весу была определена как функция массы тела.

Интересно, что у млекопитающих, которые в процессе эволюции вторично перешли к жизни в водной среде, относительный вес скелета (в процентах к весу тела) оказался меньшим, чем у наземных млекопитающих. Это, вероятно, связано с меньшей величиной весовой нагрузки на опорные структуры в условиях водной иммерсии. Аналогичные соотношения отмечены у этих животных и со стороны относительного веса костного мозга, являющегося важным очагом синтеза гемоглобина.

Противодействие силе тяжести обеспечивается не только прочностью и функциональной организацией скелета, но и активной деятельностью скелетной мускулатуры. Формирующее влияние земного тяготения на костно-мышечную систему особенно наглядно проявилось в процессе эволюции наземных организмов, благодаря чему они получили способность удерживать позу и перемещаться в пространстве, преодолевая действие гравитации. Извлеченные на сушу водные организмы, как правило, не обладают этой способностью, поскольку в привычной для них среде обитания непосредственная необходимость в преодолении силы тяжести практически отсутствует, если не считать проблем, связанных с внешним давлением на тело. Иначе говоря, живой организм может функционировать надлежащим образом только при некоторых уровнях весовой нагрузки, что определяется, в частности, характеристиками его опорно-двигательного аппарата.

Влияние силы тяжести проявляется и в особенностях распределения жидкой среды у наземных организмов, что связано с наличием гидростатического давления жидкости, или, другими словами, с ее весом. Рис. 2 иллюстрирует различия уровня кровяного давления в разных участках артериального сосудистого русла при различных гравитационных условиях, что вытекает из законов гидростатики. Изменения в распределении крови, возникающие под влиянием гравитационных сил и ускорений, влияют не только на кровообращение, но и на функцию легких. Известно, например, что ввиду значительной разницы в удельном весе крови и воздуха, находящихся с противоположных сторон тонкой и нежной альвеолярной мембраны, легкие раньше других органов повреждаются при действии перегрузок.

Рис. 2. Уровни систолического и диастолического кровяного давления у человека и их изменения при различных величинах пониженной весомости (Армстронг, Хабер, Штрухгольд)

Глаз – падение давления на величину внутриглазного (30 мм рт. ст.) давления

Приспособление к гидростатическим перераспределениям крови у наземных животных обеспечивается участием нервных и гормональных механизмов регуляции. Для человека, имеющего вертикальную ориентацию относительно поверхности Земли, значение этих приспособительных механизмов особенно велико. От действия силы тяжести зависит и регуляция внутренней среды организма, а также его рост, формообразование, энергетика, ориентация, поведение. Частными примерами такой зависимости могут служить явления геотропизма у растений или постуральные реакции со стороны вегетативных и соматических функций у животных. Допускается также возможность первичного влияния гравитации на клеточные и субклеточные структуры, в частности на распределение ядер и митохондрий в клетках.

Механические эффекты воздействия силы тяжести на опорные структуры и распределение жидкости стимулируют в живом организме комплекс ответных реакций, обеспечивающих его «уравновешивание» с внешней средой. Специфичная для биологических объектов способность активно приспосабливаться к внешним условиям и отражать их в особенностях своего строения и функции обеспечивается участием разнообразных рецепторных образований и координирующей деятельностью центральной нервной системы.

Функции центральной нервной системы с учетом нервно-мышечных и сенсорных реакций на умеренные изменения гравитации в высшей степени пластичны и адаптивны. Нервно-мышечные реакции обычно зависят от положения тела относительно направления силы тяжести. Животные и человек приспособлены к тому, чтобы удерживать и сохранять положение и ориентацию тела с помощью проприоцептивной, зрительной, вестибулярной и статокинетической информации. Интерпретация подобных сигналов и ответные реакции на них состоят в развитии соответствующей сенсомоторной программы, которая зависит от гравитации. Проприоцептивная система включает, в частности, механорецепторы, заложенные в различных участках тела, которые в норме настроены и откалиброваны на земные соотношения между массой и весом, а также вестибулярный аппарат, который очень чувствителен к ускорению и гравитации, особенно его отолитовая часть. Последняя играет важную роль в регуляции сенсомоторной активности и в некоторых случаях преобразует или блокирует афферентацию с других органов чувств, в том числе и зрительную. Однако при выключении вестибулярной информации устойчивость зрительной афферентации может укрепиться и стать независимой от гравитационного фона. Этот процесс, как оказалось, совершенствуется опытом, обучением и управляется сознанием. Поскольку индивидуум приспосабливается к более широкому спектру ощущений по мере приобретения навыков, реальное воздействие изменяющихся гравитационных условий служит полезным методом подготовки космонавтов для полетов в космос и на Луну.

Сила тяжести является фактором, оказывающим заметное влияние на регуляцию внутренней среды организма, поэтому имеются достаточные основания ожидать развития целого ряда функциональных и морфологических перестроек в состоянии невесомости. Хотя некоторые виды животных физиологически хорошо приспособлены для жизни в воде, на суше и в воздухе, в ходе эволюции живые организмы не сталкивались с продолжительным действием истинной невесомости. Поэтому у них не могли выработаться и какие-либо специфические механизмы компенсации последствий, вытекающих из отсутствия веса, если таковые вообще возможны. В наиболее общей форме эти последствия сводятся к возникновению феноменов «неупотребления» или «атрофии от бездействия». Отсутствие гравитационных стимулов является причиной таких изменений саморегуляции целостного организма, которые направлены на установление адекватных взаимоотношений с комплексом пониженных требований внешней среды. С этой точки зрения сущность возникающих перестроек правомочно рассматривать как проявление адаптационного процесса. Однако такого рода адаптация сопровождается снижением функциональных возможностей организма и его устойчивости по отношению к гравитационным и другим внешним воздействиям. Гипотетический облик человека не только адаптированного, но и гомеостатически приспособленного к невесомости должен отличаться фундаментальной перестройкой опорно-двигательного аппарата, сердечно-сосудистой, эндокринной и центральной нервной систем. Такая перестройка возможна лишь на основе соответствующих генетических изменений.

Похожие статьи:

  1. Основные закономерности реакций организма на действие ударных перегрузок С. А. Гозулов Влияние ударных перегрузок на организм, прежде всего,...
  2. Особенности реакций человека, находящегося в свободной позе, на кратковременные ударные ускорения различного направления А. Ф. Коваленко, И. С. Васильев, Р. К. Кузмицкий, Л....
  3. Характеристики движения космонавтов в скафандрах в условиях невесомости и лунной гравитации – результаты Результаты Данные о влиянии одежды и гравитации, преодолении ирисовой диафрагмы...

автор admin \\ теги: , , ,



Написать ответ

Вы должны войти чтобы комментировать.