Рассуждение о морфомеханике. 6.5.12 Продольная сила биоиндукции

  

6.5.12 Продольная сила биоиндукции

При рассмотрении развития живых систем в онтогенезе, обращает на себя внимание то, что, прежде всего, увеличиваются их продольные размеры. Можно полагать, что возникающие в живых системах потоки биоиндукции влияют не только на их внутреннее строение, но и на размеры тела, его форму. Замечено, что рост органов и тканей происходит вдоль линий биоиндукции, параллельно векторам биоиндукции.

Здесь вновь возникает вопрос о направлении вектора биоиндукции, и о том, как его направление соотносится с удлинением живой системы. То, что в соответствии с вектором биоиндукции ориентируются волокнистые структуры – бесспорно. Однако у волокна имеется два конца, которые принципиально неотличимы друг от друга. Какой из них поворачивается в направлении вектора биоиндукции сказать сложно. Вместе с тем в результате изменения направления действия биоиндукции волокнистые структуры не поворачиваются, а синтезируются вновь. Вследствие этого чисто механический подход, позволяющий определить направление действия вектора биоиндукции, здесь неприменим.

Замечено, что рост элементов ОДС в длину может происходить как в направлении действующей на них силы, так и наоборот. Например, растущая в длину бедренная кость испытывает, прежде всего, воздействие сил сжатия. В процессе перемещения и в ортостатическом положении бедренная кость оказывается сжатой между тазовой и большеберцовой костями. Кроме этого, расположенные вокруг бедренной кости мышцы, обеспечивают продольное ее сжатие даже в периодах покоя. При этом вектор биоэффективного напряжения оказывается направленным от концов бедренной кости к центру диафиза. В процессе онтогенеза концы растущей кости удаляются друг от друга, а значит и от центра диафиза. Складывается впечатление, что концы кости как бы перемещаются. Это движение головки бедренной кости и мыщелков начинается с момента закладки. За весь период роста организма, каждый из концов бедренной кости перемещается на расстояние нескольких десятков сантиметров. Таким образом, уместно говорить о скорости движения концов кости, точнее о скорости перемещения костной массы.

Увеличение размеров тела, в том числе и кости, неравномерно в течение жизни и позволяет ввести понятие ускорения перемещения массы кости. Соответственно в отношении роста может быть применены понятия скорости и ускорения. Они тем выше, чем быстрее прирастает масса, и увеличиваются размеры живой системы.

Оперируя понятиями, масса и ускорение по отношению к растущей кости, уместно говорить и о силе. Силе, которая перемещает некую массу костного вещества в процессе роста, на определенное расстояние, за вполне определенное время. Применительно к бедренной кости данная сила действует в направлении противоположном нагрузке и обусловленных ею потоков внутренних сил. Изменение размеров и строения кости результат биологических процессов, индуцированных биоэффективными напряжениями. Поэтому можно сказать, что вектор, возникающей биоиндукции противоположен вектору нагрузки. Соответственно и сила, которая «перемещает» костную ткань в продольном направлении, совпадает с вектором биоиндукции и противоположна вектору потока внутренних сил. Данную силу мы предлагаем назвать продольная сила биоиндукции.

В механике величина действующей силы определяется по второму закону Ньютона. Ее аналогом в электродинамике является электродвижущая сила. Согласно закону электромагнитной индукции, электродвижущую силу находят по формуле: 

E = -DФ/Dt, 

где, Е – электродвижущая сила; DФ – магнитный поток; Dt – время, за которое произошло изменение магнитного потока.

Продолжая ранее выявленные аналогии между величинами электродинамики и морфомеханики можно записать формулу для определения силы биоиндукции: 

F_W = -DVi/Dt, 

где, DVi – изменение потока биоиндукции; Dt - время, за которое произошло это изменение; F_W – продольная сила биоиндукции, или «сила Вольфа». Данный синоним предложен в знак уважения заслуг Юлиуса Вольфа (Julius Wolff; 1836-1902) в области развития представлений о влиянии механического фактора на живые системы.

Формула расчета продольной силы биоиндукции, как нам думается, есть математическое выражение известного закона Вольфа, который, по нашему мнению, является частным случаем закона биоиндукции. Гениальное предвидение Юлиуса Вольфа, приведенное в работе Das Gesetz der Transformation der Knochen (1892), о наличии «математических законов», описывающих изменения, происходящие в костной ткани, явилось предтечей, сформулированной нами закономерности в отношении живых систем вообще.

Продольная сила биоиндукции (сила Вольфа) равна скорости изменения потока биоиндукции через выделенную поверхность живой системы. Иными словами, продольная сила биоиндукции пропорциональна скорости изменения потока биоиндукции. Продольная сила биоиндукции есть производная потока биоиндукции по времени.

Размерность продольной силы биоиндукции: 

[F_W]= м³

dim F_W = L³ 

Продольная сила биоиндукции имеет размерность объема. В этом есть глубокий смысл. Силу генерируют живые клетки, чем больше клеток, тем больше размеры живой системы. Соответственно, чем больше занимаемый ею объем, тем большую силу биоиндукции она порождает. Кроме этого, продольная сила биоиндукции изменяет объем ткани в ответ на возникновение биоэффективных напряжений. В результате действия продольной силы биоиндукции изменение объема живой системы происходит вдоль вектора биоиндукции и является приспособительным процессом. Генерируя данную силу, живая система, как бы противодействует внешнему влиянию. В рассмотренном случае роста трубчатой кости направление продольной силы биоиндукции противоположно направлению потоков внутренних сил. Это объясняет присутствующий в формуле для продольной силы биоиндукции знак «-».

Рост кости, как известно, происходит в значительной степени за счет эпифизарной хрящевой пластинки. Думается, направление роста кости определяется продольной силой биоиндукции, возникающей в хрящевой ткани. Именно в ней возникает наибольшая по величине сила, стремящаяся удалить конец кости от диафиза – продольна сила биоиндукции.

Известны и другие ткани, в которых направление продольной силы биоиндукции противоположно вектору биоэффективного напряжения. Например, ткани зуба, который в целом растет в направлении противоположном воздействующей на него силы. Слой эпидермиса кожи при давлении на него - утолщается. В растительном мире надземные и подземные органы растений также растут в направлении противоположном вектору биоэффективного напряжения. Корни растут, преодолевая сопротивление грунта. Стебель тянется вверх, невзирая на действие силы тяжести. Эти явления называются положительным и отрицательным геотропизмом (Хржановский В.Г., 1976). Мы их объясняем действием продольной силы биоиндукции.

Вместе с тем можно найти примеры, когда направление продольной силы биоиндукции совпадает с вектором потока внутренних сил. Так локальное растяжение костной ткани приводит к появлению на ее поверхности выступа. Локальное сжатие, вызывает образование углубления. Растяжение мышечной и соединительной ткани также приводит к удлинению образованных из них структур – мышц, связок, сухожилий, дермы.

Яркой иллюстрацией может являться образование и рост кости в длину, при растяжении соединительной ткани между фрагментами костей. В данном случае, при растяжении соединительной ткани, в ней возникает сила реакции, которая противоположна приложенной растягивающей силе. Потоки внутренних сил оказываются, направлены к средине регенерата. Подобные явления возникают и при росте в длину сухожилий. Наличие биоэффективных напряжений порождает явление биоиндукции, вектор которой направлен из центра регенерата. Ту же ориентацию имеет возникающая сила биоиндукции, удлиняющая обсуждаемый элемент живой системы. Вектор биоиндукции определяет направление продольной силы биоиндукции, а значит и изменение внешней формы органа.

Под влиянием продольной силы биоиндукции происходит изменение объема ткани или органа. Это либо увеличение объема, либо его уменьшение, вдоль линии биоиндукции. И в том и другом случае это приспособительный процесс. При локальном сжатии кости сила ее реакции направлена от поверхности, а продольная сила биоиндукции внутрь. В результате действия продольной силы биоиндукции образуется углубление. При локальном растяжении – силы реакции кости направлены от поверхности внутрь. Соответственно, продольная сила биоиндукции направлена к поверхности, что обуславливает появление костного выступа. Как скоро возникнут на поверхности кости данные образования, зависит от скорости биоиндукции.

Здесь следует остановиться на различии направления изменения биоэффективного напряжения. Величина биоэффективного напряжения определяется разностью между фактическим и оптимальным среднесуточным напряжением. В отдельных случаях фактические среднесуточные напряжения могут быть выше оптимальных, в других наоборот. Соответственно в первом варианте живая система стремиться либо снизить уровень фактических напряжений, либо повысить уровень оптимальных, во втором – наоборот. По нашему мнению, скорейшая адаптация происходит при влиянии живой системы одновременно на оптимальные и на фактические среднесуточные напряжения.

В процессе роста кости в длину происходит постепенная трансформация эпифизарной хрящевой пластинки в костную ткань. За счет явления метаплазии повышается уровень оптимальных среднесуточных напряжений. Здесь биоиндукция положительная, так как уменьшаются положительные биоэффективные напряжения. Также положительна биоиндукция в процессе роста и трансформации дистракционного регенерата, при образовании впадины или выступа на кости, вследствие локального действия нагрузки – например от давления накостной пластины. Отрицательная биоиндукция будет наблюдаться при снижении нагрузки на костную ткань, например, при гиподинамии.

Таким образом, рост и уменьшение продольных размеров происходит в направлении продольной силы биоиндукции (силы Вольфа). Продольная сила биоиндукции в одних случаях ликвидирует живую ткань, в других способствует ее синтезу. Внешне это выглядит как перемещение части органа продольной силой биоиндукции вдоль линий биоиндукции, но только внешне...

««назад || СОДЕРЖАНИЕ КНИГИ || вперед»»

                                                                     

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

СОДЕРЖАНИЕ РЕСУРСА

Биомеханика и морфомеханика