6.4.2 Вес и механический фактор
Масса тела существенно влияет на
уровень среднесуточных напряжений. Большая масса — это больший вес, большая
сила инерции самого тела и его звеньев, большая сила реакции, большая сила
трения. Действие указанных выше сил приводит к росту напряжений в живой
системе, пропорционально увеличению ее массы. Вместе с тем большая масса тела
это и больший его объем, равно как и большая площадь поверхности.
Соответственно увеличению площади возрастает сила сопротивления среды - воздуха
или воды при движении в них, более выражено действие аэродинамических и
гидродинамических сил. Это также сказывается на повышении уровня напряжений в
живой системе.
Масса тела видовой признак и
является величиной постоянной. Известны массо-объемные индексы. Для мужчин он
составляет 0.97-1.15, для женщин 1.10-1.20 (Шапаренко П.Ф., 1999).
Имеется и другая сторона увеличения
массы тела. Отчасти этот вопрос мы затрагивали выше, рассматривая рост. Больший
объем, а значит, и большая площадь поверхности позволяют снизить величину
контактных напряжений при действии внешней постоянной силы. Кроме этого, если
внешняя сила неизменна, то увеличение объема приводит к уменьшению
интенсивности внутренних сил вообще. Это в полной мере относится как ко всей
живой системе, так и к ее отдельно взятому элементу. Следовательно, воздействие
силы тяжести, атмосферного давления, увеличение силы реакции опоры, инерции и
аэродинамических сил до известной степени компенсируется увеличением объема и
площади поверхности живой системы. Логично предположить, что геометрические
характеристики тела и его масса оптимально сбалансированы, и позволяют в живой
системе иметь оптимальный уровень не только действующих напряжений, но и
среднесуточных.
Масса тела находится в зависимости
от внутренних и внешних факторов. Достаток, характер, наличие сопутствующих
заболеваний, профессия. Масса тела не постоянна в течение жизни, года и даже в
течение суток. Так она уменьшается после физиологических отправлений и
увеличивается после еды. Уменьшается после интенсивных физических нагрузок,
увеличивается, как правило, в покое каникулярный и отпускной периоды.
Масса тела живого организма тесным
образом связана с его энергетикой. В частности, у теплокровных животных,
значительное количество энергии затрачивается на поддержание определенной
температуры тела, которая рассеивается в окружающей среде посредством
теплоотдачи. Теплопродукцию особи определяют ее обменные процессы. Согласно
эмпирическим данным основной обмен находится в зависимости от массы тела.
Данная зависимость близка к функции:
Wо ~ P2/3,
где W - основной обмен, а P
- масса тела. Масса, в свою очередь, связана с площадью поверхности тела особи.
Согласно закону Рубнера, основной обмен описывается законами теплопередачи, и
пропорционален площади поверхности тела животного. Однако тщательные
исследования основного обмена в онтогенезе показывают, что зависимость
основного обмена от массы тела не описывается простыми функциями. Коэффициент
теплопередачи, согласно экспериментальным и теоретическим данным, связан с
весом тела. Рост коэффициента теплопередачи наблюдается при уменьшении массы
тела особи. Вместе с тем реально, по причине значительного влияния ряда
параметров, например, средней температурой окружающей среды, зависимость
коэффициента теплопередачи от массы тела проследить очень трудно. Увеличение
массы тела приводит к дополнительным затратам мощности при передвижении.
Согласно S.Brody (1945), проводившим зоологические исследования, средняя
механическая мощность, развиваемая особью, составляет примерно 60-80% от ее
основного обмена. Известно, что механическая мощность, развиваемая при
передвижении, пропорциональна массе тела особи. Пиковая максимальная
механическая мощность пропорциональна основному обмену:
Wмах = φ Wо,
где коэффициент φ, является
функцией массы тела, и возрастает по мере ее увеличения. Для человека,
максимальная механическая мощность, которую он может развивать достаточно
долго, составляет 60-80% основного обмена* (Образцов И.Ф., Ханин М.А., 1989).
Считается, что на величину массы
тела влияют как внешние, так и внутренние факторы. Среди параметров,
определяющих максимальную массу тела особи, можно выделить параметры среды –
плотность кормов, их средняя калорийность; биологические параметры –
особенности захвата кормов, КПД мышц; параметры смешанного типа – рельеф
местности, образ жизни, сопротивление среды. Иногда масса тела может
определяться размерами убежищ, давлением естественного отбора. Согласно же
теоретическим и наблюдаемым величинам, масса тела особи в природе весьма близка
к максимальным величинам, допустимым с точки зрения энергетики (Образцов И.Ф.,
Ханин М.А., 1989).
По данным Я.А.Жизневского (1994)
основной обмен увеличивается с возрастанием массы, а также роста, и уменьшается
с возрастом, наблюдаются и половые различия.
Как видно и с позиции оптимальной
энергетики, выгодна большая масса тела. Снижаются энергозатраты, как при
выполнении работы, так и на поддержание должной температуры тела. Масса тела,
а, следовательно, его размеры и площадь поверхности, признак видоспецифичный.
Особи в процессе онтогенеза достигают вполне определенную массу, которая после
завершения роста сохраняется достаточно длительное время (при условии полного
здоровья). Если в дикой природе действие факторов внешней среды может влиять на
массу тела, то в условиях «домашнего содержания» часть из них отсекается, однако
масса животного существенно не увеличивается. Более того, даже при идеальных
условиях вес животных в неволе не растет беспредельно, а достигает вполне
конкретного значения. Наглядные примеры – сельскохозяйственные, домашние
животные и животные в зоопарках. Устраняя действие внешней среды и
естественного отбора, даже занимаясь селекцией невозможно получить кролика
размером со слона. Аналогичное замечание применимо и к человеку как
биологическому виду. Материальный достаток, комфортные условия существования не
способствуют неограниченному увеличению массы тела. Так средняя масса плода на
сороковой неделе беременности составляет 3.4 кг (Серов В.Н. и соавт., 1989)
больше и меньше она только при патологии. Длина зрелого доношенного
новорожденного составляет в среднем 50 см, причем длина является более
постоянной величиной, чем масса (Кретова Н.Е., Смирнова Л.М., 1993). Средний
вес у юношей и девушек 60 кг, соответственно скорость роста в среднем
составляет 3.5 кг в год (Леони Д., Берте Р., 1995). Обращает на себя внимание,
что средний прирост массы тела близок к той массе, что достигает плод к моменту
рождения. Создается впечатление, что гравитация, действует приблизительно
одинаково как на плод, так и уже родившийся организм, инициируя одинаковый темп
прироста массы тела. Думается, что приблизительно постоянный прирост массы тела
живой системы тесно связан со стабильностью «гравитационной компоненты»
механического фактора.
Считается, что «…истинную норму
нужно выводить из показателей организмов, достигших возраста 20-30 лет.
Безусловно, отдельные особи «нормального» фенотипа отличаются друг от друга
индивидуальными особенностями, покоящимися частью на генетических различиях как
результат многих мутаций, возникающих в разных условиях генотипически сходных
представителей». «Однообразие представителей человеческого вида проявляется не
в строгом сходстве морфологических и функциональных признаков отдельных
индивидов, а в соответствии их внешним условиям окружающей среды» (Малов Ю.С.,
2001).
Здесь возникает уместный вопрос,
если энергетически более выгодна высокая масса тела, а действие внешней среды
нивелировано, почему в определенном возрасте увеличение веса тела прекращается
после достижения некой величины? Только ли внутренние факторы, генетические, в
частности, лимитируют массу живой системы? Генотип ли определяет массу и
размеры тела особи? Если причина в генотипе, то в принципе возможно
беспредельное увеличение массы особей одного вида, например, путем селекции,
отбора, генной инженерии. Практика же говорит, что имеются некие другие, кроме
генов, факторы, определяющие массу тел живых систем.
Развитие костной массы и
формирование скелета проходят 3 стадии. Фаза роста – от зачатия до 20-25 лет. В
этот период масса костной ткани возрастает в среднем на 8% в год с ярко
выраженным пубертатным спуртом. Вторая фаза от 20 до 40 лет, характеризуется
относительным балансом между процессами формирования и рассасывания кости. Этот
период стабильности костной массы, хотя в его первую декаду, несмотря на
прекращение линейного роста, общая масса костной ткани продолжает медленно
увеличиваться, достигая пика примерно к 30 годам. После 40 лет наступает третья
фаза, когда процессы резорбции костной ткани преобладают над остеогенезом. В
этот период масса и прочность костей снижается примерно на 3% в год
(Лукьянчиков В.С., Калинин А.П., 1997).
По данным Л.Я.Рожинской (2000),
максимальная костная масса достигается к 20 годам, потеря ее начинается с конца
третьего десятилетия жизни. Исследования показателей роста/массы у мужчин
афроамериканцев показали, что их масса при рождении в среднем 3.19 кг рост
50.0±2.4см, в возрасте 27.7±2.5 лет масса 84.6±20.1 кг, рост 177.2±8.4 см, у
женщин масса при рождении в среднем 3.02 кг рост 49.8±2.3 см, в возрасте
28.2±2.8 лет масса 76.4±22.3 кг, рост 162.9±6.7 см (Фолкнер Б. и соавт., 1998).
Известно, что максимальная минеральная плотность костной ткани ШБК, поясничных
позвонков и всего скелета достигает максимума у мужчин к 21-25 годам, а у
женщин к 31-35 годам (Зайчик В.Е. и соавт., 1997). В то же время считается, что
наиболее активная адаптация отмечается в возрасте до 35 лет, когда процессы
приспособления к существованию и функционированию в изменяющихся условиях
внешней среды наиболее активны и совершенны (Тяжелов А.А., Василевский Н.Н.,
1993).
С нашей точки зрения масса тела
особи, а значит его размеры, находятся в зависимости от генотипа и уровня,
среднесуточных напряжений в органах и тканях. Масса и объем тела возрастает с
момента зачатия и это обозначается как рост живой системы. Можно считать
аксиомой, что большая масса тела выгодна с позиции энергетики. Кроме этого, с
увеличением массы и площади поверхности живой системы уменьшаются действующие
напряжения в ней. У человека, адаптация к механическому фактору внешней среды
обычно достигается к 25–30 годам. Именно этот срок следует рассматривать как
период приспособления нашего генотипа к механическому фактору внешней среды.
Продолжительность жизни россиян в
1994 году составила для мужчин 57.5 лет, для женщин 71 год (Бронштейн А.С. и
соавт., 1998). Следовательно, в лучшем случае, 1/3 жизни россиянина тратится на
процесс адаптации к механическому фактору, в худшем случае более половины. Для
реализации столь сложно и длительно достижимого приспособления к жизни на
планете Земля, остается слишком мало времени… Здесь прорисовывается чрезвычайно
тонкая и важная роль государства - способствовать полноценной адаптации его
граждан к механическому фактору, регулировать его уровень, разумно расходовать
достигнутое индивидуумом приспособление, ибо этот ресурс не возобновляем. Земля
достаточно агрессивная планета, в смысле величины механического фактора,
наверное, одной из важнейших задач человечества должно стать всемерное снижение
его влияния на человека…
Масса человека при рождении в среднем составляет 3.5 кг. Этому весу соответствуют определенные геометрические характеристики. Размеры тела плода, важны для нормального прохождения через родовые пути во время родового акта. Его начало, с нашей точки зрения, определяет момент достижения плодом критической массы. Воздействуя на шейку матки с некоторой, все увеличивающейся силой, плод вызывает в ней повышение среднесуточных напряжений. Достигая определенной величины, теперь уже критический уровень среднесуточных напряжений в матке стимулирует начало родового акта.**
Внутриутробный темп роста
приблизительно одинаков у разных особей, разница массы новорожденных в граммах.
После рождения же скорость прибавления массы начинает отличаться. Одинаковый
темп роста во внутриутробном периоде связан с одинаковым уровнем напряжений в
теле плода. Нагрузка на плод — это, прежде всего, давление околоплодных вод. В
меньшей степени на него влияет сила тяжести и силы инерции. Давление же
околоплодных вод поддерживается приблизительно на одном уровне и зависит от
проницаемости гематоплацентарного барьера, тонуса матки, внутрибрюшного и
атмосферного давления. Так как давление околоплодных вод постоянно, а действие
других факторов не существенно именно первое обстоятельство и определяет уровень
среднесуточных напряжений. Одинаковая их величина у разных индивидуумов и
обуславливает в норме примерно одинаковый темп прироста массы.
Увеличение массы тела, с нашей
точки зрения, это следствие приспособления живой системы к определенному уровню
среднесуточных напряжений. Приблизительно одинаковая их величина во
внутриутробном периоде определяет близкую массу тела в его конце. После
рождения воздействие внешних сил изменяется. Величина механического фактора для
каждого субъекта начинает разниться. Она обусловлена как природными, так и
социальными факторами. Природные факторы сугубо специфичны для конкретного
участка земной поверхности и зависят от высоты над уровнем моря, атмосферного
давления, широты, залегания руд, рельефа местности и прочих факторов.
С нашей точки зрения для каждой
живой системы, генетически предопределен оптимальный уровень среднесуточных
напряжений, а также энергетического баланса. На оптимальный уровень
среднесуточных напряжений может влиять и внешнее воздействие. Так однократное
действие внешней силы, приводящее к повреждению ткани, изменяет ее внутреннее
строение, а значит и способность нормально функционировать при стандартной
нагрузке. Соответственно в данном случае следует говорить об изменении
оптимальных среднесуточных напряжений для этого участка ткани.
Главный смысл роста и развития
особи — это достижение оптимальной величины среднесуточных напряжений. На
начальном этапе развития уровень оптимальных среднесуточных напряжений не
совпадает с величиной фактических среднесуточных напряжений. Под фактическими
среднесуточными напряжениями мы понимаем уровень среднесуточных напряжений,
существующий в настоящий момент. Увеличивая свою массу, живая система
оптимизирует не только тепловой баланс, но и уровень среднесуточных напряжений.
При постоянной внешней природной нагрузке, с увеличением массы и объема,
величина ею обусловленных фактических среднесуточных напряжений уменьшается.
Адаптация живой системы происходит
не только к этим напряжениям, но и к тем, что являются результатом воздействия
других сил – силам сокращения мышц, силам реакции, инерции, трения, внешнего
искусственного воздействия. Приспособление в виде увеличения объема – массы
завершается при достижении оптимального уровня среднесуточных напряжений и энергетического
баланса, определенного генотипом. С возрастом величина механического фактора
возрастает, что связано с увеличением социальной активности, началом трудовой
деятельности, заботе о потомстве. Увеличение нагрузки приводит к закономерному
повышению фактических среднесуточных напряжений. Здесь запускаются процессы
приспособления к ним, выражающиеся не только в режиме поведения, но и в
изменении уже достигнутого строения тела. Всеми способами организм стремится
добиться соответствия фактических среднесуточных напряжений их оптимальной
величине. Одновременно оптимизируется энергетический баланс. Снижаются затраты
энергии на выполнение работы, на передвижение, на поддержание должной
температуры тела. Так как отличия в генотипе однозначно присутствуют даже у
особей одного вида из одной популяции, объемно – массовые характеристики живых
систем оказываются отличными. Различия в оптимальном уровне среднесуточных
напряжений и возможность их регулирования определяет индивидуальные различия
между особями одного вида.
Таким образом, живые системы, увеличивая собственную массу, приспосабливаются к постоянным и переменным механическим воздействиям, при этом они стремятся достичь оптимального для конкретной особи уровня среднесуточных напряжений, предначертанного ее генотипом. Параллельно идет процесс оптимизации энергетического баланса, который находится в связи с уровнем среднесуточных напряжений, так как последние есть отражение количества механической энергии, преданной телу. Достижение предельной массы тела данной живой системой есть проявление конечной оптимизации ее масс-энергетических процессов. Предельная оптимальная масса тела — это оптимальный уровень среднесуточных напряжений и наиболее выгодный для нее энергетический баланс.
* Теплопродукция особи при температуре среды, относящейся к термонейтральной
зоне, в условиях покоя и натощак называется основным обменом (Образцов И.Ф.,
Ханин М.А., 1989).
** При изменениях в матке, извращение ее реакции на должный критический уровень
среднесуточных напряжений, может наблюдаться нарушения нормального процесса
родов, переношенность или недоношенность. Если активность матки может
инициировать небольшая величина среднесуточных напряжений, то наблюдается
недоношенность, при повышении порога ее возбудимости, наблюдается
переношенность.
Автор:
Архипов С.В. – С.В. Архипов-Балтийский является псевдонимом, который использовался до начала 2006 года с целью более точной дифференцировки на научном поле.
Цитирование:
Архипов-Балтийский СВ. Рассуждение о морфомеханике. Норма. В 2 т. Т. 1. Гл. 1-4. - Испр. и доп. изд. Калининград, 2004. [aleph.rsl.ru]
Архипов-Балтийский СВ. Рассуждение о морфомеханике. Норма. В 2 т. Т. 2. Гл. 5-6. - Испр. и доп. изд. Калининград, 2004. [aleph.rsl.ru]
Примечания:
Первая крупная публикация автора, посвященная морфомеханике живых систем, биомеханике пояса нижних конечностей и связки головки бедра, ligamentum capitis femoris (LCF).
Ключевые слова
ligamentum capitis femoris, ligamentum teres, связка головки бедра, анатомия, морфомеханика, биомеханика
Биомеханика и морфомеханика