Действие вибрации и звука на организм

Действие вибрации на изолированные клетки и ткани до сих пор еще не является предметом специальных исследований, хотя каждому исследователю должно быть ясно, что механизм биологического действия вибрации, как и других видов механических колебаний, не может быть разгадан до тех пор, пока не будет изучено ее действие на клетки. Оправданием этому может быть лишь настоятельная потребность выяснить степень реальной опасности развития патологических процессов организма, подвергавшегося вибрации. Именно на выявлении синдромов вибрационной болезни и клиники этой болезни концентрировалось внимание исследователей. Однако и на фоне всеобщего стремления исследовать действие вибрации на организм в целом давно уже делались попытки исследовать реакции отдельных тканей и органов данного организма.

Одно из первых исследований подобного рода было проведено еще в начале века воспитанником Петербургской военно-медицинской академии А. Е. Щербаком. Предварительно было установлено, что фарадизация мышц током с частотой 400 интервалов в минуту уже в течение первых двух минут вызывает сильное утомление, судя по высоте сокращения. Если вслед за фарадизацией мышцы подвергнуть действию вибрации с помощью камертона частотой 110 Гц в течение 30 мин, то утомляемость мышцы значительно усиливается, амплитуда сокращения резко падает. Удивительным и малопонятным является тот факт, что угнетение работоспособности мышц вибрацией сохраняется длительный период времени -- до трех суток после фарадизации. Не менее примечательным является стимулирующий эффект вибрации. Стимулирующее действие вибрации, т.е. повышение работоспособности мышцы, проявляется в тех случаях, когда фарадизации предшествует предварительная вибрация, проводимая по 10 мин ежедневно в течение 6 или 8 сут. Следовательно, вибрация в зависимости от условий и, вероятно, в зависимости от состояния объекта может вызывать как эффект угнетения, так и стимуляции соответствующих биологических функций. Результаты опытов дают указание и на то, что продолжительное действие вибрации вызывает какие-то стойкие структурные изменения, накапливающиеся в объекте в течение продолжительного времени.

Исследования действия вибрации на изолированные ткани были продолжены лишь через 50 лет. Мышцы лягушки подвергались вибрации в растворе красителя с частотой 4--6 Гц, амплитуда колебаний 2.5 мм в течение 1.5 ч. Ставилась альтернативная задача: действует или не действует вибрация с такими параметрами на сорбционные свойства мышц. Как оказалось, вибрация резко повышает способность мышц связывать краситель; если принять количество красителя, сорбируемого контрольными мышцами за 100, то мышцы в результате вибрации увеличивают связывание красителя до 158%. Наряду с мышцами были исследованы сорбционные свойства семенников, почек и кусочков кожи, подвергавшихся вибрации. Оказалось, что более всего повысилась сорбционная способность семенников -- на 274, почек -- на 250, кусочков кожи -- на 137%. Следовательно, вибрация вызывает довольно глубокие изменения протоплазматических структур. Впервые установлено, что различные клетки обладают различной чувствительностью к вибрации, что свидетельствует и о различии их субклеточных структур. О молекулярных процессах, разыгрывающихся в мышечных волокнах, дают представление опыты, проведенные на глицеринизированных мышцах кролика.

Пучки нитей мышц диаметром 0.05--0.1 мм и длиной до 30 мм помещались в соответствующую среду, куда добавлялось определенное количество АТФ, подвергались ритмичному растяжению с частотой в 5 Гц и амплитудой 2 мм. Через равные промежутки времени в среде определяли содержание неорганического фосфата. Прирост количества фосфата в единицу времени означает усиление интенсивности процесса дефосфорилирования и, следовательно, повышения АТ-Фазной активности. Прекращение растяжения приостанавливало прирост неорганического фосфата. Если блокировать АТФазу реактивов ЕДТА то, естественно, в этом случае растяжение не вызывает увеличения неорганического фосфата. Кроме повышения АТФазной активности при растяжении мышц наблюдается генерация биопотенциалов. Возникновение тока действия объясняется нарушением структуры мембран, в результате чего нарушается ионное равновесие, что и создает разность потенциалов.

Проведены тщательные исследования деформации мышц лягушки инвитро. Оказалось, что существует определенный порог деформации, за которым следуют, вероятно, и пороговые физиологические сдвиги. Порог деформации измеряется в микрометрах, среднее его значение в мышце лягушки составляет 8.5 мкм. По мнению некоторых исследователей, эта величина порога довольно постоянна. Скорость проявления деформации составляет 1--2 мл/с. Интересные исследования проведены на мышцах наркотизированных кошек. Несмотря на наркотизацию, обнаруживаются спонтанные импульсы, снимаемые с отходящего нерва.

Растяжение мышцы повышает чувствительность к вибрации. Однако это зависит от исходного уровня спонтанной активности: если он высок, то дополнительное растяжение тормозит синхронизацию импульсов с частотой вибрации; если исходный уровень низкий, тогда синхронизация повышается. Было обнаружено, что в ответ на вибрацию мышцы не при всех частотах удается наблюдать потенциалы, снимаемые с соответствующего нервного волокна, иннервирующего мышечное веретено. В диапазоне вибрации с частотой 25-- 500 Гц наблюдается несколько провалов, когда снимаемый потенциал либо намного меньше максимального, либо полностью отсутствует. Результаты исследования дают основание сделать вывод, что характер реакции в ответ на вибрацию определяется структурой мышечного веретена, ее физическими и механическими свойствами: вязкостью, эластичностью. Показано, что максимальная величина потенциала наблюдается при вибрации с частотами 100--200 Гц. Это может быть объяснено лишь наличием структур, для которых частоты вибрации являются резонансными.

Аналогичные исследования проведены на сгибателе пальцев лягушки. Дистальный конец мышцы крепился к мембране, через которую задавалась вибрация. Исследовалось действие низкочастотной вибрации в пределах 4--10 Гц. На наркотизированных животных показано, что в результате вибрации в мышечном веретене возникают групповые импульсы, причем с увеличением частоты вибрации число групповых импульсов уменьшается.

До сих пор мы говорили о генерации спайкового потенциала при вибрации мышц, но, вероятно, бегущий импульс является частным случаем эффекта вибрации мышцы; наряду с этим имеются и стойкое возбуждение, и электротоническая передача действия вибрации, приводящая к тоническому сокращению. Такая безимпульсная сигнализация наблюдается при растяжении мышцы ноги краба.

Последствия прямого действия вибрации наблюдаются и на субклеточных и даже на молекулярных структурах. Так, в нашей лаборатории подвергали вибрации суспензию митохондрий с частотами 25, 50, 150, 200 и 300 Гц, с ускорением 5 g 20 мин. Показателями реакции служили интенсивность поглощения 0₂ и эстерофикация неорганического фосфата. Оказалось, что вибрация частотой 100 Гц и ускорением 5 g значительно подавляет потребление Ог. Вибрация с частотами 150--200 Гц несколько повышает интенсивность потребления кислорода. Заслуживает внимания удивительный факт, наблюдаемый в этой серии опытов. Вибрация с частотой 100 Гц достоверно и очень значительно повышает резистентность мышцы к высокой температуре. Удивительным является то обстоятельство, что при этих условиях вибрации поглощение кислорода митохондриями подавляется. Значит, повышение резистентности, которая, казалось бы, должна быть связана с повышением потребления кислорода, в данном случае с ним не связана. Вибрации подвергали также клетки костного мозга и судили о результатах по митотическому индексу. Показано, что вибрация в широком диапазоне частот значительно подавляет митотическую активность, клетки перестают делиться. Подвергали вибрации изолированные мышцы с частотой 25 Гц и затем из этих мышц экстрагировали белок -- актомиозин и определяли его ферментативную активность. Оказалось, что в результате вибрации мышцы ее белок потерял способность расщеплять АТФ.

Результаты проведенных опытов показывают, что вибрация затрагивает фундаментальные основы жизни клетки: размножение, способность к репарации, резистентность, ферментативные свойства ее белка и другие морфофизиологические процессы.

В этих опытах наблюдаются два интересных и важных факта: во-первых, эффект вибрации в значительной степени зависит от ее частоты. Так, резистентность мышцы при 100 Гц повышается, а при 25 Гц подавляется. Каждая структура, как надо полагать, имеет свою резонансную частоту, к которой она особенно чувствительна. Во-вторых, это -- зависимость эффекта вибрации от ускорения. И здесь наблюдается своеобразное парадоксальное явление. Так, резистентность мышц подавляется при 25 Гц и ускорении 5 g. Но, если увеличить ускорение, например в 2 раза, то, казалось бы, эффект тоже должен увеличиться примерно вдвое, в действительности же эффект вибрации вообще отсутствует. Что любая биологическая структура особо чувствительна к своей резонансной частоте, подтверждается во всех проведенных нами опытах. Так, для актомиозина резонансной частотой является 200 Гц. Поэтому, в каком бы состоянии белок ни находился: в растворе, в мышце, в организме -- во всех случаях вибрация с частотой 200 Гц подавляет его активность.

Морфологические изменения в организме при вибрации