2.1. Биосфера

Ученые сегодня определяют биосферу как живое вещество, дискретно распределенное по поверхности Земли. Живое вещество представляет собой наиболее активную и организованную часть экосферы. Оно разнообразно, широко распространено, постоянно возобновляется, обладает высокой биохимической активностью и приспособляемостью к жизненным условиям. В его химическом составе ведущая роль принадлежит кислороду, углероду и водороду. Эти элементы составляют 96,5% живой массы. Человечество является незначительной частью биосферы, однако проблемы рационализации окружающей среды в отсутствии человека теряют всякий смысл. Организм человека и его поведение формировались и продолжают формироваться под воздействием среды своего существования, находясь с ней во взаимодействии. Биохимическое развитие человека является одним из экологических процессов. Стоит задача понимания: до какой степени организм, существовавший при одних экологических условиях, способен нормально функционировать при других условиях, что характерно для нынешнего состояния экосистемы при резком развитии космических, глубоководных и других исследований.

Рис. 2.1. Структура Экосферы. Диаграмма показывает тесную взаимосвязь объектов экосферы (гидросферы, атмосферы, литосферы, биосферы и техносферы). Биосфера и техносфера находятся В сложноподчиненной (выделена на рисунке треугольником) области G∩А∩L: первая характеризует совокупность всею живою, вторая продукт антропогенного воздействия (искусственные элементы) и жизнедеятельности человека G∩А А∩L - область воздействия атмосферы; G∩L - область воздействия гидросферы; G∩А∩L - область существования биосферы и техносферы и взаимодействия с гидросферой, атмосферой и литосферой

Человек постепенно расширяет свои функциональные возможности. Уже сегодня получены серьезные данные, которые свидетельствуют о новых, неизвестных ранее резервах биологической природы человека и его психофизиологических возможностях. Новые возможности и резервы развития человека открывают кибернетическое моделирование нейрофизиологических механизмов человека, их техническое воспроизведение с помощью компьютерных средств, создание "искусственного интеллекта". Эргономика, используя данные и методы биологии, физиологии, психологии, технических и социально-экономических наук и обращаясь к человеку как субъекту деятельности, прежде всего трудовой, выявляет его резервы и творческие возможности, включая высокие проявления психики. Комплексное развитие современной психологии дает основание полагать о ее ведущей роли в раскрытии резервов человеческого организма.

Экологическая нагрузка на биосферу привела к исчезновению многих видов животных и растении, кислотные дожди привели к гибели лесов в Западной Европе и Северной Америке, вследствие сброса технологических отходов изменился видовой состав флоры и фауны во многих водоемах Северного полушария, в промышленно развитых странах резко увеличилось количество новорожденных детей с патологическими отклонениями. В США, например, появилась болезнь Альцегеймера, уносящая около ста тысяч жизней в год. В связи с увеличением количества вносимых азотных удобрений уже сегодня в разных районах нашей страны отмечаются случаи болезни и гибели сельскохозяйственных животных (к этому приводит потребление корма с содержанием нитратов более одного процента веса сухого корма). Все это напрямую и опосредованно вредит человеку, приводит к снижению трудового потенциала населения и, следовательно, к экономическим потерям.

Большое значение имеет изучение состояния объектов биосферы в связи с антропогенными изменениями окружающей среды. Здоровье - это не просто отсутствие болезни. Это и способность организма адаптироваться к изменениям факторов окружающей среды, способность к оптимальному выполнению функциональной трудовой и другой деятельности. Необходимо указать, что антропогенно измененная внешняя среда (атмосфера, гидросфера, литосфера) может содержать вещества, с которыми живое в ходе эволюции ве сталкивалось, а поэтому не имеет соответствующих анализаторно-сигнализирующих систем. В связи с этим возникают трудности оценки и прогноза состояния живого. Во всем мире проводятся широкие исследования по выявлению мутагенов - вредных для живого веществ окружающей среды и вызывающих поражения генетического аппарата. Пока по генетическим параметрам изучено лишь менее 1% веществ, влияющих на биосферу, однако и этот один процент - тысяча типов мутагенов, опасных для человека.

Организм человека представляет собой Целостную динамическую систему. Все составные части (клетки, мембраны, ткани, органы) этой системы дифференцированы по структуре, функциям и назначению. Органы объединяются в физиологические и функциональные системы жизнедеятельности.

Физиологические системы: кровообращения, дыхания, терморегуляции, пищеварения, выделения, обмена веществ и энергии, нервная система, сенсорная, нервно-мышечная и др.

Функциональные системы - это не анатомическое образование, а совокупность различных нервных центров и периферических органов, объединенных в единое целое созданием нормальных условии течения обменных процессов и гомеостаза.

Система теплообмена

Способность организма человека поддерживать квазипостоянную температуру объясняется разнообразными биологическими и физико-химическими процессами. Теплообразование идет за счет обмена веществ, теплоотдача происходит преимущественно за счет физических процессов: теплопроведення (непосредственная отдача тепла прилегающим к коже предметам и воздуху), теплоизлучения (излучение телом электромагнитной энергии, в основном в инфракрасном диапазоне) и испарения (испарение влаги с поверхности тела и в процессе дыхания). Мышцы, а также печень и почки, являются главными регуляторами теплообразования. Организм воспринимает колебания температуры окружающей среды терморецепторами, которые возбуждаются при повышении температуры среды на 0,007 и понижении на 0,012°С. Топография температуры кожи и внутренних органов самая различная (от 24,1 до 37,1°С) как для отдельных лиц, так и для различных условий внутренней и внешней среды. Температура внутренних органов выше: наиболее интенсивно обменные процессы протекают в печени, ее температура составляет 38,0 ... 38,5°С. Существует суточный биоритм температуры кожи: максимальная (37,0 ... 37,1°С) в 16.00 - 19.00 ч, минимальная (36,2 ... 36,0°С) в 2.00 - 4.00 ч.

Система теплообмена

Система дыхания

Дыхание - непрерывный биологический процесс газообмена между организмом и внешней средой, во время которого атмосферный кислород переходит в кровь, а образовавшийся углекислый газ удаляется с выдыхаемым воздухом; при этом происходит биологическое окисление в тканях. Дыхание делят на три типа: внешнее (легочное), внутреннее (тканевое) и перепое газов кровью. Поступление воздуха в легкие является результатом сокращения" дыхательных мышц и увеличения объема легких, а выход происходит за счет расслабления дыхательных мышц. О функциональном состоянии механизма внешнего дыхания судят по частоте, апериодичности (ритму), глубине дыхания, а также по значениям легочного объема, газовому составу выдыхаемого воздуха и др. Длительность вдоха (дыхательный цикл) у взрослого человека 0,9 ... 4,7 с, выдоха - 1,2 ... 6 с, дыхательная пауза различна по продолжительности и даже может отсутствовать. Частота дыхательных движений составляет у взрослых 12 ... 18 (0,2 ... 0,3 Гц) движений в мин, причем в любом возрасте эта частота в 4-5 раз меньше частоты сердечных сокращений. Глубину дыхательных движений определяют по амплитуде движений грудной клетки в трех направлениях: фронтальном (реберном), вертикальном и сагиттальном (передне-заднем, грудино-позвоночном). У мужчин преобладает брюшной (диафрагменный), а у женщин - грудной (реберный) тип дыхания.

Система дыхания

Мышечная система

Мышцы принимают участие в двигательных актах, связанных с перемещением тела и его отдельных частей, в осуществлении функций пищеварения, дыхания, кровообращения и др. Существует три типа мышц: поперечно-полосатые, мышцы скелета, поперечно-полосатая мышца сердца и гладкие мышцы внутренних органов. Характер сокращения мышц зависит от их типа (гладкие мышцы менее возбудимы), частоты раздражения, утомленности, свойств сократительных белков, состояния обмена веществ.

Мышечная система

Кожный покров

Площадь кожного покрова взрослого человека составляет 1,5 ... 2,0 м², Кожа является своеобразным индикатором состояния человеческого организма в целом, нормальности функционирования его отдельных органов и тканей. Она адаптируется под воздействием внешней окружающей среды (тепловые, газовые, пылевые, влажностные, электромагнитные, акустические, механические и др.), способствует поддержанию гомеостаза. Термо-, электро-, плотно-, газодыхания, пото- и другие топограммы кожи обладают индивидуальностью, хотя их распределения по поверхности тела меняются в течение суток, сезона, с возрастом, в экстремальных, патологических ситуациях.

Кожный покров

Кожный покров состоит из трех слоев: эпидермиса (толщина 0,03 ... 0,15 мм), дермы (0,5 ... 5,0 мм) и подкожной жировой клетчатки (0,3 мм ... 2,0 см). Принято считать, что эпидермис выполняет в основном защитные функции при внешнем воздействии; в дермальном слое осуществляются белковый, углеводный, газовый, водный обмены, формируются пластичные свойства кожи, располагаются сальные и потовые (общее число около 2,5 млн) железы, корпи волос, мышцы, кровеносные (артерии, вены, капилляры) и лимфатические сосуды; в обоих слоях находятся рецепторы различного назначения. К 16-18 годам кожа взрослеет (утолщается, усложняется структура), начиная с 40-50 лет кожа стареет (укорачиваются сосочки дермы, т. е. граница эпидермис - дерма сглаживается; слой кожи становится тоньше, сальные и потовые железы располагаются ближе к поверхности, сеть кровеносных сосудов сужается). Кожное дыхание составляет 1,0 ... 1,5% от легочного, хотя при физической работе дыхание через кожу примерно в два раза интенсивнее, чем через легкие. Дыхание кожи не находится в прямой зависимости от количества потовых желоз, а более связано с локальной температурой кожи, а также с патологическим и гигиеническим состоянием кожи. Совместно с процессом перспирации (выделение паров водных растворов) при потовыделении из организма выходят многие минеральные компоненты. Время потовыделения составляет 1,6 ... 3,0 с с периодом (при нормальных условиях) 2 ... 43 с; после потовыделения внутрь кожи проникают внешние газы и вещества. Структура кровеносных сосудов кожи самая различная, но чаще всего артерии, вены, капилляры представляют собой объемные сплетения в дерме. Наиболее мощное венозное сплетение находится в коже ладоней рук, подошв ног (здесь же и наибольшая толщина эпидермиса). Кожные сосуды располагаются, в основном, на глубине до 2 мм, они способны сильно расширяться и сужаться. Благодаря наличию в кровесосудах терморецепторов (как и в самой коже), артерии участвуют в теплообмене организма (за счет изменения степени пропускания световых лучей, что изменяет теплопроводность кожи). В кожных сосудах находится до 10% всей крови организма, им присуща повышенная циркуляция крови.

Перемещения кожи происходят за счет движения тела, внешнего дыхания (частота 0,2 ... 0,3 Гц, амплитуда перемещения в области груди составляет до 1 ... 2 см), деятельности сердца (частота 0,8 ... 1,5 Гц, частотный спектр 0 ... 50 Гц, амплитуда до 30 ... 80 мкм в области груди, а в области лучевой артерии в нижней части предплечья до 0,7 мм), микропульсаций мышц (частота 7 ... 13 Гц, амплитуда 3 ... 8 мкм).

Система крови

Система крови состоит из собственно крови и органов кроветворения. Общее количество крови в человеческом организме составляет 6 ... 8% от массы тела (т. е. 5 ... 6 л у взрослого человека). В нормальных условиях половина ее циркулирует, а половина собирается р кровяных депо: печени, селезенке, коже. Кровь представляет собой жидкость, в которой около 50% воды, вязкость в 4-5 раз больше, чем у воды, плотность (около 1059 кг/м³) выше, чем у воды. Кровь состоит из плазмы (55 ... 60% всего объема крови) и кровяных телец (эритроциты, содержащие гемоглобин; лейкоциты, тромбоциты). Плазма содержит 90 ... 92% воды, минеральные (NaCl, KCl и др.) и органические (белки, жиры, глюкоза и др. вещества). Плотность крови зависит в основном от количества эритроцитов, содержания в них гемоглобина и белкового состава плазмы. Вязкость обусловлена белками и эритроцитами. Температура притекающей к органам и тканям крови примерно на 3°С выше, чем оттекающей. Изменение скорости кровотока, количества циркулирующей и депонированной крови приводит к быстрым изменениям в количестве кровяных телец. Сигналы в органы кроветворения и кроверазрушения передают при этом рецепторы костного мозга, селезенки и лимфатических узлов. Время реакции соединения гемоглобина крови с кислородом около 0,001 с. Концентрация гемоглобина крови составляет в среднем 15 000 мг на 100 г крови (13 г на 1 кг массы тела).

Система крови

Система кровообращения

Данная система состоит из сердца и сосудов - кровеносных и лимфатических. Движение крови происходит по большому и малому кругу обращения. Первый обеспечивает клетки организма кислородом и питательными веществами и забирает от них продукты обмена, а второй производит доставку крови в легкие, где осуществляется обогащение се кислородом.

Система сосудопроводов человеческого организма характеризуется рядом параметров: скоростью и объемом кровотока, давлением в сосудах, поперечными размерами сосудов и др. Средняя линейная скорость кровотока (путь, пройденный каждой частицей крови в единицу времени) в аорте 5•10^-1 в венах 5•10^-2 в капиллярах 5•10^-4 м/с. Значение величины кровотока в организме также различно: в почке - 7•10^-3 печени - 2,5•10^-3, сердце (в коронарных сосудах) - 1,4•10^-3 селезенке 1,2•10^-3 мозге 1,1•10^-3 кишечнике - 0,8•10^-3 желудке - 0,5•10^-3 мышцах рук и ног (в покое) - 0,05•10^-3 л/с на 0,1 кг массы органа.

Система кровообращения

Артериальное давление в зависимости от фаз деятельности сердца и дыхания имеет два экстремальных значения - систолическое (максимальное) и днастолическое (минимальное), а также пульсовое (разность между двумя названными экстремумами; среднее значение 4,7 ... 7,3 кПа или 35 ... 55 мм рт. ст.) и среднее (сумма днасюлического и одной трети пульсового давления). Значения давлений колеблются в течение суток, сезона, возраста, при патологических и экстремальных ситуациях. У взрослого человека максимальное артериальное давление составляет 13,3 ... 16,0 кПа (100 ... 120 мм рт. ст.), минимальное 7,8 ... 10,7 кПа (60 ... 80 мм рт. ст.). Систолическое давление характеризует работу сердца (состояние миокарда левого желудочка), а днастолическое - состояние сосудистой системы (степень тонуса артериальных стенок), среднее - нагрузку сердца, скорость кровотока. Скорость распространения колебании артериального давления составляет примерно Н) м/с.

Артериальный пульс представляет собой периодическое расширение и удлинение стенок артерий, обусловленных поступлением крови в аорту при работе левого желудочка сердца (объемный пульс - это ритмические колебания кровенаполнения определенною органа). Артериальный пульс определяется частотой (количество ударов в минуту), ритмичностью (правильностью чередования пульсовых ударов), заполнением (степень изменения объема артерии, устанавливаемая по силе пульсового удара), напряжением (сила, которую надо приложить, чтобы сдавить артерию до полного исчезновения пульса). Повышение температуры тела на 1°С увеличивает частоту пульса примерно на 8 ударов в мин. Скорость распространения пульсовой волны различна: она больше в сосудах мышечного типа (6 ... 7 м/с) и меньше в эластических сосудах (4,8 ... 5,6 м/с); заметим, что скорость кровотока по этим сосудам менее 0,5 м/с. Форма пульсового колебания имеет сложную форму с полосой частот 0 ... 50 Гц.

Приведем усредненные численные данные по внутреннему и внешнему радиусам артерии: подколенная - 2,5 ... 3,2, плечевая - 1,3 ... 1,9, сонная - 2,6 ... 3,0 мм, крупные ветви коронарных артерий имеют внешний диаметр от 2 до 4-х, а мелкие - менее 1-го мм.

Сокращение сердечной мышцы происходит с определенной закономерностью. При этом деятельность сердца сопровождается электрическими (электрокардиограмма), магнитными (магпптокардиограмма), механическими (баллиетокардиограмма) и звуковыми (фонокардиограмма) явлениями.

Человеческое тело принимают обычно за слабый магнетик (хотя известно, что, например, гемоглобин, являющийся парамагнетиком, соединяясь с парамагнетиком - кислородом, образует оксигемоглобин - диамагнетик и наоборот) со значением относительной магнитной проницаемости, равной приближенно единице. Однако благодаря последним успехам квантовой механики, подобное приближение для измерений магнитного поля организма человека уже не применимо ив связи с созданием сверхчувствительных сверхпроводящих приборов (сквидов) эта задача приобрела реальный технический смысл и практическую значимость.

Усредненные электрические данные человеческого тела приведены в табл. 2.1 (индекс "1" обозначает среду с высоким

содержанием воды: кожа, мышцы, кровь и др., а индекс "2" - с низким содержанием воды: жир, кость и др.). Здесь λ₀ - длина волны в вакууме (воздухе);

длина волны в биосреде;

ε, σ - относительная диэлектрическая проницаемость, электропроводность биосреды

глубина проникновения электромагнитной волны в среду (расстояние, на котором амплитуда волны уменьшается, в однородной среде в 2,7 раза); Ф₀₁ - коэффициент отражения от границы "воздух - первая среда"; Ф₁₂ - коэффициент отражения от границы "первая среда - вторая среда".

Температурный градиент для электропроводности кожи составляет +3%, для диэлектрической проницаемости - (-0,5%) на 1°С, т. с. температурные изменения в большей степени сказываются на электропроводности, чем на относительной диэлектрической проницаемости. Анализ данных табл. 2.1 показывает, что при:

λ₀>1 м значения ε резко растут, значения σ меняются незначительно;

λ₀<0,1 м значения ε меняются незначительно, значения σ резко растут;

0,1 м<λ₀<1 м значения ε и σ меняются незначительно (дисперсия мала).

Акустические свойства

Акустическое сопротивление человеческого тела более чем в 1 000 раз превосходит акустическое сопротивление воздуха, вследствие чего кожей отражается в атмосферу практически вся энергия падающей акустической (ультразвуковой) волны, а от границы мышца - кость отражается одна треть энергии.

Усредненные данные скорости распространения и длины волны ультразвуковых колебаний (УЗ) для человеческого организма приведены в табл. 2.2 и 2.3.

Таблица 2.2. Зависимость скорости распространения УЗ-колебаний (м/с) от температуры

Физические механизмы поглощения УЗ-волн в биотканях сложные. Экспериментальные измерения показали, что в мягких тканях значения глубины затухания УЗ-волн (для частот 1... 15 МГц) обратно пропорциональны частоте (для воды обратно пропорциональны квадрату частоты), а для костной ткани эта зависимость проявляется в большей степени. Ориентировочные данные по значениям L_e для УЗ-волн в биотканях: кровь - 50, жир - 15, сердечная мышца - 5, кожа - 3, кость - 1 см (температурный коэффициент при этом мал, для воды он составляет около 0,03). Пределы изменения плотности основных тканей - 10% (1070 кг/м³ для соединительной ткани, 950 кг/м³ для жировой, а для костной ткани 1800 кг/м³).

Отметим, что, например, печень является относительно изотропным органом в диапазоне частот 2 ... 7 МГц, в отличие от сердечной мышцы, которая имеет значительную анизотропию. Характерно, что проникновение УЗ-волн зависит от содержания белков в тканях (обратно пропорционально), скорость распространения растет с увеличением концентрации белка.

Электромагнитные и акустические свойства человеческого организма служат основой для разработки датчиков, моделей и систем контроля в соответствии со спецификой обучения студентов.