Biofyzika faktorov vonkajieho prostredia Ekobiofyzika interakcie organizmu s

Biofyzika faktorov vonkajšieho prostredia

Ekobiofyzika – interakcie organizmu s fyzikálnymi faktormi vonkajšieho prostredia Kontakt s okolitým prostredím – koža – dýchací systém – tráviaci systém Faktory vonkajšieho prostredia – fyzikálne, chemické biologické, spoločenské Fyzikálne faktory: – – – mechanické akustické klimatické elektrické magnetické ionizujúce a neionizujúce žiarenie

Účinky mechanických faktorov • charakter – statický a dynamický účinky gravitácie a zrýchlenia • ľudský organizmus – adaptovaný na jednosmerné pôsobenie gravitačného zrýchlenia (g = 9, 81 m. s-2) • preťaženie – niekoľkonásobné zrýchlenie ako g – kladné preťaženie – pôsobiaca sila smeruje od hlavy k nohám • biela slepota • kritická hodnota 5 g – záporné preťaženie – pôsobiaca sila smeruje od nôh k hlave • červená slepota • kritická hodnota 3 g – priečne preťaženie - kritická hodnota 18 g

beztiažový stav – odstredivá a dostredivá sila sú v rovnováhe – zaniká dráždenie vestibulárneho systému kinetózy – opakované nepravidelné striedanie záporného a kladného zrýchlenia

účinky tlaku • zmeny atmosférického tlaku – podtlak – pretlak • tlak klesá s nadmorskou výškou - výšková hypoxia – náhly výstup do výšky nad 3000 m - horská (výšková) choroba

Henryho zákon Kesónova choroba - pretlakové komory • dysbarizmus • barotrauma

účinky mechanickej energie • mechanická trauma organizmu – pri náraze, náhlej zmene smeru pohybu, pri dlhodobom pôsobení tlaku – otrasy mozgu, srdca • mechanické kmitanie hmotných telies s f menšou ako 25 Hz otrasy • otrasy s vyššou f vibrácie

účinky akustických faktorov • zvuk 16 Hz – 20 k. Hz (pod 16 Hz – infrazvuk, nad 20 k. Hz – ultrazvuk) – intenzita zvuku – hladina intenzity • hluk – nežiadúci zvuk neperiodického charakteru s rôznou frekvenciou, intenzitou a hlasitosťou, ktorý vyvoláva rušivý alebo nepríjemný vnem účinky hluku • faktory rozhodujúce o škodlivosti hluku: – fyzikálna charakteristika – charakter hluku – čas trvania – charakter práce

poškodenie sluchu: - akútne - chronické prevencia: - technické opatrenia - osobná ochrana akustický úder

účinky ultrazvuku • zdroj ultrazvuku – mechanické, magnetostrikčné a piezoelektrické generátory - šíri sa ako zvuk, rozdiel je v absorpcii prechode rôznymi prostrediami (vyššia absorpcia v plynoch) medicína: • nízkofrekvenčný ultrazvuk (20 -100 k. Hz) – chirurgia • vysokofrekvenčný ultrazvuk (1 -3 MHz) – fyzikálna terapia, diagnostika - interakcia ultrazvukových vĺn s organizmom závisí od ich intenzity: – vyššia intenzita – aktívna interakcia – zmena biologického prostredia (terapia, chirurgia, laboratórne pokusy) – nižšia intenzita – pasívna interakcia – zmena časového a priestorového priebehu ultrazvukovej vlny (diagnostika)

mechanizmy účinku ultrazvuku: • ohrev • mechanické účinky • kavitácia ovplyvňovanie biologických systémov: • inhibičné účinky • stimulačné účinky

Účinky klimatických faktorov Klíma – súbor priemerných hodnôt klimatických faktorov prevažne fyzikálneho charakteru (teplota, vlhkosť a prúdenie vzduchu, elektroklíma a i. )

Účinky tepelnej energie a vlhkosti Telesná teplota – rovnováha medzi tvorbou a výdajom tepla • teplota povrchu tela – kolíše v širokom rozmedzí • teplota telesného jadra je stála → termoregulačné mechanizmy • termostatické centrum – v hypotalame (36, 5°C) • koža – termoreceptory, tukové tkanivo – tepelný izolátor a regulátor • Termoregulácia organizmu – správanie – zmeny metabolizmu – fyzikálne mechanizmy

Teplota kože < teplota vzduchu → organizmus teplo prijíma Teplota kože > teplota vzduchu → organizmus teplo vydáva → 4 fyzikálne mechanizmy: Kondukcia (vedenie) – 1% z celkového tepelného výdaja org. Konvekcia (prúdenie) – 15% Radiácia (sálanie) – 55 -65% Evaporácia (vyparovanie) – 20 – 25% - závisí od vlhkosti vzduchu

Účinky zvýšenej teploty a vlhkosti prostredia nízka vlhkosť - nepriaznivé účinky zvýšenej teploty vonkajšieho prostredia znesiteľnejšie → evaporácia (potenie), vazodilatácia, endokrinné regulačné mechanizmy • Prehriatie organizmu a zlyhanie termoregulácie – tepelný úpal • Nadmerné ožiarenie slnečným žiarením – slnečný úpal (insolácia)

Účinky zníženej teploty a vlhkosti prostredia Znížená teplota prostredia →zvýšená tvorba tepla v organizme (zrýchlenie metabolizmu, chladový tras) → zníženie výdaja (vazokonstrikcia v koži) Dlhodobé podchladenie a telesné vyčerpanie • spánok → ďalšie ochladenie organizmu • zníženie telesnej teploty pod 25°C ohrozenie života, pod 20°C smrť

Miestne poškodenie chladom – omrzlina • Zmiernenie následkov – normalizácia krvného obehu (hypertermický kúpeľ) • Hypotermia – chirurgické zákroky, zvýšenie činnosti štítnej žľazy, prehĺbenie dýchania, zníženie metabolizmu

Účinky elektroklímy Elektroklíma – el. pole Zeme, priestorový náboj a iné el. polia • Kladné ióny priestorového náboja – dráždivé účinky, únava, bolesti hlavy → ťažkosti pred búrkami • Záporné ióny – priaznivé účinky → úľava po búrke

Počasie – okamžitý stav súboru klimatických faktorov nepravidelne kolísajúcich okolo priemeru určeného klímou Biotropné účinky počasia – komplexné pôsobenie niekoľkých meteorologických faktorov na reaktivitu veg. nerv. systému – Magnetické búrky, zvýšená frekvencia erupcií na Slnku, prechod frontov • Následky – obehové a dýchacie ťažkosti, bolesti v patologicky zmenených tkanivách, vplyv na psychiku • Klimatoterapia – liečba pobytom v oblastiach s priaznivým účinkom klímy na človeka

Účinky elektrického prúdu • Elektrický prúd – pohyb voľného elektrického náboja • Elektrické vodiče – pohyb voľných elektrických nábojov (e- v kovoch, ióny v elektrolytoch, e- a ióny v plynoch) • Dielektrické látky – elektrické náboje sú viazané na polarizované atómy a molekuly – posúvaním a otáčaním nábojov sa dielektrikum polarizuje → posuvný elektrický prúd

• Jednosmerný prúd – prechádza tkanivom ako pohyb iónov – elektrolyticky, šíri sa medzibunkovou hmotou – polarizácia dielektrika • Striedavý prúd – prechádza tkanivom ako posuvný prúd – nízkofrekvenčný - membrány kladú veľký odpor – vysokofrekvenčný - prechádza bunkovými membránami ľahko Elektrický prúd prechádza v organizme cestou najmenšieho odporu - pozdĺž obalov nervových vlákien, ciev a medzibunkovými priestormi - Najväčšia vodivosť - likvor a krvná plazma - Najmenšia vodivosť - kosti

• Dráždivosť – schopnosť reagovať na podnet – Jednosmerný prúd - nemá za normálnych okolností dráždivé účinky (iba pri náhlej zmene intenzity, pri dosiahnutí prahovej intenzity, ktorá pôsobí určitý čas) • Reobáza – najnižšia intenzita el. prúdu, ktorá je potrebná na vyvolanie podráždenia • Chronaxia – čas, ktorý je potrebný na vyvolanie podráždenia impulzom, ktorý má veľkosť dvojnásobku reobázy – charakteristická pre každý sval – Jednosmerný prúd spôsobuje zmeny podráždenia, ktoré sú spojené aj so zmenou iónového prostredia – elektrotonus • v oblasti katódy – zvýšená dráždivosť motorických nervov • v oblasti anódy znížená dráždivosť senzorických nervov (analgetický účinok) → elektroterapia

Dráždivé účinky - elektrostimulácia • Defibrilátor – obnovenie srdcovej akcie pri jej zastavení • Kardiostimulátor – normalizácia a obnovenie srdcového rytmu • Neurostinulátor – dráždenie mozgu a miechy pri Dg alebo Th • Elektrošok – striedavý prúd vysokej intenzity (strata vedomia, epileptiformný kŕč všetkého svalstva – strata pamäti) – liečba ťažkých depresívnych stavov

účinky jednosmerného elektrického prúdu • zmeny iónového prostredia – pohyb disociovaných iónov (transport iónov) • elektroforéza - pohyb nedisociovaných elektricky nabitých makromolekúl a koloidov • elektroosmóza - redistribúcia vody mebránovými štruktúrami smerom ku katóde • účinok aj na vazomotorické nervy – zvýšenie prekrvenia svalov Liečebné využitie jednosmerného prúdu – galvanoterapia – ionoforéza – galvanizácia

Ionoforéza • vpravovanie liekov s elektrickým nábojom do tkanív pôsobením jednosmerného el. prúdu (kĺby, oko) • z anódy: K+, Li+, Ca 2+, acetylcholín, neomycin • z katódy: Cl-, I-, vitamín C, penicilín • liečba ekzémov, zápalových, reumatických, alergických ochorení

Galvanizácia • aplikácia jednosmerného prúdu do tkanív pomocou elektród umiestnených vo vodnom kúpeli • vyvoláva zvýšenie metabolizmu, hyperémiu v koži a svaloch • analgetický účinok (pri úrazoch, zápaloch nervov, svalov a kĺbov, trombózach, chronických kĺbových ochoreniach)

Účinky striedavého elektrického prúdu • dráždivé účinky sú závislé od frekvencie – do 100 Hz - dráždivosť sa zvyšuje so stúpajúcou frekvenciou – nad 100 Hz – zvýšená frekvencia znižuje dráždivý účinok – nad 3 k. Hz – dráždivý účinok sa výrazne znižuje – pri 10 k. Hz – dráždivý účinok sa úplne stráca, pretože dĺžka trvania impulzu je kratšia ako najkratšia chronaxia

Nízkofrekvenčný striedavý prúd • dráždivé, tepelné a čiastočne aj elektrolytické účinky • liečebne sa využíva v impulzoterapii – pri rozcvičovaní zdravých a čiastočne degenerovaných svalov, elektrostimulácii hladkých svalov, liečbe porúch srdca, zastavení srdca (defibrilácia)

Vysokofrekvenčný striedavý prúd • nad 1 MHz nemá ani dráždivé a ani elektrolytické účinky • dielektrický ohrev Vysokofrekvenčná terapia – – vysokofrekvenčný striedavý prúd + magnetické polia + elektromagnetické vlnenie – hĺbkový ohrev tkanív bez priameho kontaktu a bez absorpcie infračerveného žiarenia – krátkovlnná diatermia (f = 27, 12 MHz, λ = 11, 06 m) – ultrakrátkovlnná diatermia (f = 433, 92 MHz, λ = 69 cm) – mikrovlnná diatermia (f = 2, 45 GHz, λ = 12, 25 cm)

Nepriaznivé účinky elektrického prúdu • Najnebezpečnejší prúd pri f = 50 - 60 Hz • Pri f > 10 k. Hz už nie je nebezpečenstvo úrazu • možnosť úrazu závisí od napätia a od celkového odporu v obvode (najnebezpečnejšie - zdroje s nízkym vnútorným odporom) • Najcitlivejšie – mozog, respiračné svaly hrudníka, centrum riadiace dýchanie a srdcovú činnosť, srdce

• Bezpečný prúd pri f do 1 k. Hz: – pri striedavom prúde približne 10 m. A – pri jednosmernom 25 m. A • Pri úrazoch striedavým prúdom: – – – do 25 m. A – zástava dýchania do 80 m. A – reverzibilné zastavenie srdcovej činnosti nad 80 m. A – pribúda podiel smrteľných úrazov nad 1 A – smrť pri blesku – 104 - 106 A

Účinky magnetických polí Magnetické polia podľa časových zmien: • statické – intenzita sa nemení (permanentný magnet, vodiče jednosmerného prúdu, geomagnetické pole Zeme) • premenné – intenzita sa mení (vodiče striedavého elektrického prúdu) • pulzné – vodiče elektrických impulzov Magnetické polia podľa rozloženia magnetického poľa v priestore: • homogénne – vo všetkých bodoch rovnaká veľkosť a smer • nehomogénne – rôzna veľkosť a smer

magnetická indukcia - B B = μ. H • • H – intenzita magnetického poľa μ – relatívna magnetická permeabilita podľa hodnoty μ sa látky delia: • feromagnetické – μ >> 1, (Fe, Co, Ni) • paramagnetické – μ > 1, (O 2, Al, Pt) • diamagnetické – μ < 1, (H 2 O, Na. Cl, Bi) • v ľudskom organizme - prevažne diamagnetické a paramagnetické látky – pri zmene orientácie a koncentrácie, hlavne diamagnetických látok - zmena kinetiky biochemických reakcií i iných fyzikálne – chemických procesov

Nepriame pôsobenie magnetického poľa – voľné radikály, ktoré vznikajú v dôsledku magnetochemických reakcií – statické polia – utlmujú metabolické procesy, znižujú dráždivosť nervového systému – premenné polia – stimulujú metabolické procesy, zvyšujú dráždivosť nervového systému Magnetické polia vysokej intenzity - zmeny reakčného času, spomalenie sedimentácie erytrocytov, zníženie odporu kože, poruchy inervácie srdcovo-cievneho systému – dočasné zmeny Využitie: • Dg. – magnetická rezonancia • Th. – nízkofrekvenčné – liečba zápalov periférnych nervov, urýchlenie hojenia rán po úrazoch a operáciách - vysokofrekvečné – premena magnetickej energie na tepelnú – diatermia