Текст
КАЗАКСТАН РЕСПУБЛИКАСЫ
ДЕНСАУЛЫК САКТАУ МИНИСТРЛІГІ
КАЗАҚМЕМЛЕКЕТТІК МЕДИЦИНА АКАДЕМИЯСЫНЫҢ
ОҚУ-ӘДІСТЕМЕЛІК СЕКЦИЯСЫ
ҚАЗАҚСТАН МЕДИЦИНА УНИВЕРСИТЕТІ
Көшенов Бират
МЕДИЦИНАЛЫҚ
БИОФИЗИКА
Меаициналық жоеары оқу орындарының
ІстуденттерІне арналган оқулық
АЛМАТЫ
«Қарасай»
2008
УДК577
ББК 28.071я73
К69
Казақ Мемлекеттік медицина академиясынын, (Астана қаласы)
жанындаеы медициналық жогары оқу орындарының оқу-әдістемелік
секциясы оқулық ретінде бекіткен (№12 хаттама 23-маусым, 2008 ж.).
Пікір жазғандар:
К. МҮКАШЕВ — физика-математика ғылымдарының доюй^Й, профессор;
М. И. ӘЛІБЕКОВ — медицина ғылымдарының докторы, профессор;
Д. ДЕМЕУОВ биология ғылымдарының кандидаты, профессор
Көшенов Б.
К69 Медициналық биофизика. Оқулық. - Адматы: Қарасай,
2008. - 224 б.
І8В^ 978-601-7049-05-8
Оқулық Қазакстан Республикасының 3.07.475-2006 жылғы мемлекеттік
жалпыға бірдей беру стандартына сәйкес құрылған медициналык жоғары
оқу орындарында оқытылатын «Медициналықбиофизика» (ООДО-12) пәнінің
типтік бағдарламасына сәйкес жазылған.
Окулыкта биологиялықобъектілердіңмолекулалық, жасушалық, тіндік
және толық ағзалык деңгейдегі кұрылыстары мен кызметтерінің биофизи-
касы баяндалған. Биоэлектрлік потенциалдардын, иондық зат алмасуының,
қан айналымы жұйесініңжәне бұлшықеттер жиырылуыныңерекшеліктері
және кейбір жұйелердің модельдері биофизикалық және биомеханикалык
тұрғыда қарастырылған.
Сонымен катар адам ағзасына түрліше физикалык факторлармен әсер
еткенде өтетін биофизикалык процестердің және медициналық интроско-
пияиыц негіздері қарастырылған.
к 1903010000
00(051-08)
І8В1Ч 978-601-7049-05-8
ББК 28.071я73
© Көшенов Б., 2008
© «Қарасай» баспасы, 2008
еңбегімді ¥лы Отан согысының
қурбаны болган әкем Үйсінбзев Көшеішіц
рухына багыштаішын.
А л ғ ы с ө з
Бұл окулық — Қазақстан Республикасы медициналықжоғары оқу
орындарында «Медициналық биофизиканы» оқытудың мемлекеттік
стандартына сәйкес құрылғантиптікбағдарлама негізінде қазақтілінде
жазылған тұңғыш оқулык.
Оқулықтың негізгі мақсаты — автордың пікірінше, студенттерді
мүмкіндігінше дәрістің кейбір бөліктерін конспектілеуден босатып,
өздігінен дайындалуға мүмкіншілік жасау. Осындай оқулықтың бо-
луы пәнді жүргізетін дәріскерге де тиімді болатыны сөзсіз. Себебі,
дәріскер келесі дәрістің сұрақтарын студенттерге осы кітап бойынша
беріп, дәрісті тыңдауға алдын-ала дайындалып келуіне мүмкіншілік
жасайды. Осы ерекшеліктер дәріскерге оқыту мақсатында қолданы-
латын техникалық құралдарды, ғылым мен техниканың жаңалықта-
рын кеңінен қолдануға мүмкіншілік береді.
Окулықты жазуда ағзаның өмір сүруінің негізі болатын заңдылық-
тарға сүйендік: жарықтың биомолекулалармен әсерлесуі, жасушалар-
да зат тасымалдау процесі, биопотенциалдардың пайда болуы және
таралуы, биологиялық объектілердің модельдері және медициналық
интроскопия туралы ұғымдардың ғылыми негіздерін бағдарлама тала-
бына сәйкес жазуға ұмтылдық.
Казақстан Медициналық Университетінің медициналық биофи-
зика кафедрасының меңгерушісі, профессор Г. Ш. Яр-Мухамедоваға
осы оқулықты жазуда ұсынған құнды пікірлері үшін және сол кафед-
раның қызметкері Бодаева Индираға көрсеткен техникалық көмегі үшін
алғысымды білдіремін.
Бұл оқулық— Қазақстан Республикасында қазақтілінде жазылған
тұңғыш еңбек болғандықтан, кемшіліктері болуы сөзсіз. Сондықтан,
алдағы уақьгтта, байкалған кемшіліктерді жою үшін өздерінің пікірлерін
білдірген мамаңдарға алдын-ала алғысымды білдіремін.
3
КІРІСПЕ
Медициналық биофизика пәні адам ағзасында өтетін физикалық,
химиялықжәнебиологиялықпроцестерді зерттеп, ауруды емдеуде және
диагностикада қолдану жолдарын анықтайтын медицина мен биоло-
гия ғылымдарының.бір саласы.
Биофизика күрделі жүйелерде өтетін (мысалыҢИ&ада) түрліше
физикалық құбылыстарды, жеке ағзаларды, тіндерді, жасушаларды,
биологиялық мембраналар мен миофибриллалар сияқты субжасуша-
лар құрылымдары, ақуыздар молекулалары мен нуклеин кышқылда-
рын макромолекулалықдеңгейде зерттейді.
Медициналық биофизика — биология ғылымының дамып келе
жатқан іргелі саласының бірі, оның негізін білу дәрігер үшін аса
кажет. Медицина ғылымының бұл саласы — физика, математика, хи-
мия және биология сияқты іргелі ғылымдар саласына жатады. Оның
әр құбылыстары логикалыкжүйемен эксперимент нәтижесінесүйеніп
дәлелдеуі, әр процестің сандық және сапалық мөлшерін анықтауы,
математикалык талдау әдістерін қолдануы, математикалық моделдеу
әдістері, зерттеу мақсатында күрделі әдістер мен аппараттарды қолда-
нуы оны физика, химия, математика және биология ғылымдарымен
жақындастырады. Биофизиканың басқа ғылымдармен осындай ты-
ғыз байланысы оны іргелі ғылымдар қатарына косады.
Жалпы және қолданбалы биофизиканың Халықаралық ассоциа-
циясының шешімімен осы пән мынандай тармактарға бөлінген: моле-
кулалық биофизика, жасуша биофизикасы және күрделі жүйелер био-
физикасы. Молекулалық биофизиканың зерттейтін объектілері -
ақуыз бен нуклеин қышқылы сияқты функционалды белсенді заттар.
Жасушалар биофизикасы жасушалардың мембраналық құрылысы
және субъектілер бөлшектері сияқты ірімолекулалық кұрылымдарды
зерттейді. Күрделі жүйелер биофизикасы тірі организм құрылымы-
ныңбарлықденгейлерінде өтетін процестерді зерттейді. Сонымен қатар
биофизиканың барлық саласы математикалық модельдеу әдісін кол-
данады.
4
Медициналык, биофизика — күрделі жүйелер биофизикасынын,
басты бөлімі. Ол биофизиканың медицина мен фармациядағы мәселе-
лерін баска ғылымдармен бірлесе отырып мына бағыттарда зерттейді:
— тірі ағзаның патологиялык механизмін, оның себептерін және
емдеудің жаңа тәсілдерін аныктау;
— ағзада өтетін процестерге физикалық тәсілдермен диагностика
жасау;
— адам ағзасына коршаған ортаның әсерін зерттеу және адам ағза-
сына емдеу мақсатында физикалық тәсілдермен әсер ету.
Олай болса физиканың, химияның және биологияның негізінде
құрылған биофизиканың теориялык негізі — физиология. Адам фи-
зиологиясы медицинаның іргелі саласының бірі.
І-тарау
ЖАСУШ А МЕМБР АНАСЫНЫҢ БИОФИЗИК АСЫ
Жасуша (клетка) биофизикасының маңызды бөлігі - мембрана
биофизикасы, онын медицинада маңызы зор. Тіршілікке тән барлык,
процестер биологиялык, мембранада өтеді, оның бұзылуы көптеген
патологияның себепшісі болады. Адам ағзасына емдеу мақсатында әсер
ету — биологиялык мембраналардың қызметіне (функциясына) әсер
етумен тығыз байланысты.
§ 1. БИОЛОГИЯЛЫҚ МЕМБРАНАЛАРДЫҢ ҚЫЗМЕТІ
Өздігінен өмір сүретін, дамитын және көбейетін элементар тірі
жүйе — тірі жасуша, ол барлық жануарлар мен өсімдіктердін негізі.
Жасушаның жасушалық органеллдін өмір сүруінің басты шарттары
мыналар:
Біріншіден - қоршаған ортамен салыстырғанда автономдығы, яғни
жасушаның заттары қоршаған ортанын заттарымен араласпауы керек,
жасушада және оның жеке бөліктерінде өтетін химиялық реакция-
ныңөзін-өзі автономды басқару мүмкіншілігі сақталуы кажет.
Екіншіден — қоршаған ортамен байланыс. Жасуша мен қоршаған
ортанын арасындағы байланыс энергия мен зат алмасуынын реттел-
ген түрде үздіксіз жүруі;
Үшіншіден - қоршаған ортадан окшаулануы және сол ортамен
тығызбайланысының бірлестігі - тірі ағзаныңбарлыкдеңгейдегі ұйым-
дасу қызметінің басты шарты. Сондықтан жасушаның өмір сүруінің
басты шарты, ол биологиялық мембраналар.
Биологиялық мембраналардың мынадай негізгі үш қызметі бар:
бөгеттік (барьерлік), матрицалық және механикалық.
1. БөгеттІк (барьерлік) қызметі мынада: қоршаған орта мен жасу-
шанын арасында тандамалы (селективті), кезекпен, белсенді және ен-
жар зат алмасу процестері жүреді. Тандамалы дейтін себебі биология-
лық мембрана арқылы заттың бір тобы тасымалданса, басқа топқа
жататын заттар тасымалданбайды; кезекпен дейтін себебі тасымалда-
натын заттар жасушаның жұмысына сәйкес мембранадан кезектесіп
ретімен өтеді; белсенді дейтін себебі заттар таралымы (концентрациясы)
6
аз жерден таралымы көп жерге қарай тасымалданады; енжар дейтін
себебі тасымалдану заттаралымы көп жердентаралымы аз жерге карай
жүреді.
2. Матрицалык, - мембранадағы ақуьіздардын орналасуын, олар-
дың бағытын және өзара ұтымды әсерлесуін қамтамасыз етеді.
3. Механикалық — жасушалар және жасуша ішіндегі құрылымдар
берік болып өзін-өзі баскарады.
Сонымен қатар биологиялық мембраналар тағы да мынадай қыз-
метгер атқарады:
— энергетикалық— митохондрийдін ішкі мембраналарында АТФ-ті
синтездеу және хлоропласт мембранасында фотосинтездеу;
— биопотенциалдарды өндіру және оларды тарату;
— рецепторлық (механикалық, акустикалық, иіс сезу, көру, химия-
лык, жылу рецепциясы) және т.б. қызметтер.
Тіршілікті камтамасызетуде мембрананыңауданыныңролі аса зор.
Қалыпты жағдайда барлық мембраналардың аудандарының қосынды-
сы ондаған мың шаршы метрге жетеді.
Көпшілік аурулар мембрана қызметінін калыпты күйден патоло-
гиялык күйге ауысуынан болады. Оған мысал ретінде канцерогенді,
артериосклерозді, вирустықжәне инфекциялык ауруларды, улануды,
ультракүлгін сәулемен күюді және т.б. айтуға болады. Емдеу жұмысы —
мембрана жұмысын қалпына келтіру мақсатында жүргізіледі.
Қазіргі кезде жасушалар құрылымыныңқызметін камтамасыз етуде
мембрананың маңызы аса зор екені дәлелденді. Мембрана цитоплаз-
маны түгел қоршап, оны қоршаған ортадан бөліп тұрады. Заттын жа-
сушаға өтуі немесе жасушадан шығуы мембрананың қасиетіне тығыз
байланысты. Сонымен қатар, сыртқы кабын құрайды. Ол оргонойд-
тар: ядролар, митохондрий, лизосом, Гольджи аппараты және эндо-
плазмати калық ретикулум.
§ 2. БИОЛОГИЯЛЬІҚ МЕМБРАНАЛАРДЫҢ КҮРЫЛЫСЫ
Биологиялық мембрана құрылысыныңалғашқы моделін 1902 жылы
Отвертон деген ғалым ұсынды. Ол мембрана арқылы липидтерде жақ-
сы еритін заттар тез өтетінін байқаған. Осыны басты негізге ала оты-
рып мембраналар фосфолипидтердің жұқа қабатынан тұрады деген
идеяны ұсынған. Полярлық және полярлық емес орталардың шекара
беттерінде (мысалы, су мең ауа, немесе су мен май) фосфолипидтер
7
ПОЛЯРЛЫҚ ЕМЕС ОРТА
(ауа немесе май)
Полярлық орта (су)
1-сурет
бірмолекулалық қабат құрайды.
Осы бетте фосфолипидтердің
полярлықбастары суда болса, по-
лярлық емес ұштары ауада неме-
се майда болады. Мембрананын
касиеттерін және құрылысын зерт-
теуде эритроциттердің қабы кең
қолданылады. Эритроциттердің
қабын оларды гипотониялықері-
тіндіде гемолиздеу арқылы женіл
алуға болады. 1925 жылы Гортер мен Грендель эритроциттер мембра-
насынан алынған липидтердіңбір қабатыныңауданы^рі&роциттердің
аудандарының косындысынан екі есеге жуықүлкен болатынын дәлел-
деген.
Гортер мен Грендель гемолизденген эритроциттерден липидтерді
ацетонмен шығарып алып,оны судыңбетінде буландырған. Одан кейін
пайда болған липидтердін бірмолекулалық үлбісінін (пленка) ауданын
өлшеген. Осындай зерттеудің нәтижесінде мембранадағы липидтер
космолекулалық (бимолекулалық) кабат құрайды деген корытындыға
келген (2, д-сурет).
Мембрананың электрлік параметрлерін зерттеген ғалымдар Коул
мен Қертис 1935 жылы мынадай кортындыға келді: биологиялыкмем-
браналардын кедергісі өте көп (== ІО7 ом/м2) және электрсыйымдылығы
да үлкен (=0,5-10'2 ф/м2) екен.
Электролит
2-сурет
8
Биологиялык, мембраналарды электрсыйымдылық (конденсатор)
деп карастыруға (2, б-сурет) болады, Конденсатордын астарлары ретінде
липид молекулаларынын, полярлықбасы батырылған ішкі және сырт-
қы электролиттердің ерітіндісін қарастырады. Конденсатордың астар-
лары липидтің молекулаларының полярлык емес бөлігі кұрайтын
диэлектриктік қабатпен бөлінген. Липидтер-диэлектриктік тұрақты-
сы е = 2 тең диэлектриктер.
Жазық конденсатордың сыйымдылығы
(у —
Электрөтімділігі е0= 8,85-1012 Ф/м; сі- конденсатор астарларының
ара қашықтығы; 5 - конденсатор астарының ауданы.
Егер конденсатордың астарларының ауданы 5= I м2 болса, онда
меншікті сыйымдылық мынаған тең болады:
(I)
- _
(2)
Осыдан мембрананың липидтерінің қалыңдығына сәйкес келетін
конденсатор астарларының ара кашықтығын табуға болады
Осы нәтиже липидтердің полярлық емес ұштарының ұзындығы-
на жуық болғандықтан оны липидтер қабатының қалыңдығы деп те
атайды.
Липид молекулаларының ұзындығы 3,5 нм, ақуыздың бір қабаты-
ның калындығы I нм-ден аспайды деп есептегенде жасуша мембрана-
сының қалыңдығы мөлшермен 8 нм болады. Сонымен қатар ақуыз-
дьің бір молекуласына липидтердің мөлшермен 75-90 молекулалары
келеді деп саналады. Осы нәтиже электрондық микроскопты қолда-
нып жүргізілген тәжірибенің қорытындысына сәйкес келген.
Бірақ мембрана липидтік қос қабат кана емес. Мембранада акуыз
(белок) молекулалары да бар екені тәжірибе жүзінде дәлелденген.
Мысалы: жасуша мембранасынын беттік керілу коэффициентін
өлшегенде ол ақуыз бен судың шектелген бетіндегі беттік керілу
коэффициентіне жуықболып (ақуыз-су 5 = 10-4 н/м ), липидтер мен су
шекарасының беттік керілу коэффициентінен (5 = 10-2 н/м) аз болған.
9
І//////./////.//П77777
ЛИПИДТІК К.ОСК.АБАТ
3-сурет
Осындай карама-қайшылық
Даниэл мен Девсонның моде-
лінде жойылды. Бұл модельді
«бутерброд» моделі дейді.
Бұл модель мембрананы үш
қабатты деп карастырады: сырт-
қы беттерінде ақуыз молекула-
лары, ішкі бетінде липидтер
молекулалары орналасқан. Осы
модель биофизика саласында 40
жылға жуық өмір сүрді.
Биологиял^Й*І^е'мбраналар-
ды зерттеуде аса күрделі физи-
калык әдістер қолданылады. Солардың ішінде электрондық микрос-
коптың, рентгенқұрылымдықанализдің және радиоспектроскопияның
(ЭПР және ЯМР) алатын орны бөлек. 1972 жылы Сингер мен Ни-
кольсон биологиялық мембрананың сұйықтық-мозаикалық моделін
ұсынды.
Осы модельбойыншабиологиялықмембрананыңнегізі — қос кабат-
ты фосфолипидтің ішінде ақуыздар орналасқан. Ол ақуыздар алтынға
батырылған асыл тас сияқты орналаскан. Ақуыздар сыртқы (перифе-
риялық) жөне интегралды болып екіге бөлінеді (4-сурет). Калыпты
физиологиялық жағдайда липидтер сұйық күйде болады. Осы касиетті
Интегралды акуыздар
4-сурет
10
мембрананын ішіндегі ақуыздарды жүзіп жүрген фосфолипидтермен
теңестіреді. Мозаикалық модельдердің осындай қасиеті химиялық
анализде дәлелденген. Мысалы, әр мембранада ақуыз бен фосфо-
липидтердін қатынасы әр түрлі болады: миэлиндік мембранада ақуыз-
дар липидтерге карағанда 2,5 есе көп болса, эритрониттерде керісінше
2,5 есе аз болады.
Биологиялық мембранада фосфолипидтермен қатар басқадай хи-
миялықкосылыстар болады. Жануарлар мембранасында фосфолипид
пен ақуызға карағанда холестерин көп болады. Сонымен қатар мемб-
ранада гликолипидтер, гликопротеидтер де болады.
Мембрана құрылысынын сұйықтық - мозаикалық моделі казіргі
уақытта аса кең тараған. Бірақ, ол модель де мембрана туралы толық
мәлімет бере алмайды. Атап айтқанда, ақуыздар сұйық күйдегі липид-
тердін ішінде еркін «жүзіп» жүре алмайды. Олар (ақуыздар) кейде
жасушаның ішкі құрылысында (цитоплазматикалық) тұрып қалады.
Осындай құрылымға микрофиламенттер мен микротүтіктер (5-сурет)
жатады. Микротүтіктер - диаметрі 300 нм - ерекше ақуыздан (тубулин)
5-сурет
И
Мицелла
Қаратылған» мицелла
6-сурет
тұратын қуыс цилиндрлар. Олар жасушаның жұмысына елеулі әсер
етуі мүмкін. Сонымен қатар, мембранада липидтердің барлығы да кос
кабатты болып орналаспайды. Мембрананын липидтік фазасында ли-
пидтер молекулалары қос қабаттыққұрылым емес, мицеллалар құрай-
тыны физикалық тәсілдермен дәлелденген (6-сурет). Биофизиканың
негізгі мақсаты — мембрананың кұрылымдықнегізін, яғни, қос қабат-
ты фосфолипидтік молекулаларды зерттеу. Жасуша мембранасындағы
негізгі липидтердің бірі — лецитин.
Лецитинніңфосфолипидтік молекуласыныңполярлықбасы (фос-
фор кышкылының туындысы) және ұзынша келген полярлық емес
құйрығы (майлы қышқылдардың қалдығы) бар. Фосфолипид молеку-
ласының басында бір-бірінен белгілі бір арақашықтықта орналасқан
лецитиннің зарядталған екі тобы бар. Таңбалары қарама-қарсы, абсо-
люттік шамалары тең зарядтар электрлік диполь құрайды. Мембрана-
да түрліше фосфолипидтер бар. КІысалы эритроцит мембранасында
20-ға жуық фосфолипидтер болады. Молекулалардың полярлық бас-
тарының химиялық құрамы да әр түрлі.
Кейбір фосфолипидтердің басында қарама-қарсы таңбалы моле-
кулалар бейтарап (нейтрал) күйде қалдыратын электрлік диполь құрай-
тын екі зарядтан басқа, молекуланы теріс таңбалы ететін, теңеспеген
теріс заряд болуы мүмкін. Мысалы, фосфолипид молекуласының
көмірсутекті құйрығында мөлшермен кәміртегінін 20 атомы болса, сол
құйрықта 1—4 қанықпаған қос байланыс болуы мүмкін.
Фосфолипидтер молекуласының полярлык бастары-гидрофильді
(сумен әсерлеспейді), ал полярлық емес кұйрыктары-гидрофобты (сумен
12
әсерлеседі). Фосфолипидтер мен судың қоспасында фосфолипидтердің
полярлықбастары су молекулаларына қарай орналасса, полярлықемес
құйрықтары судыңсыртына қарай орналасады (6-суретті қараңыз).
Фосфолипид молекуласының екі құйрығы болуы аса маңызды.
Ондай молскуланың пішіні цилиндрге ұқсас келеді.
а
.. Басы
ТШШЩ-'
Екі құйрығы
7-сурет. а — коскұйрықты фосфолипид молекуласы кескінінің сызбасы;
б~ осы молекулалардыңмембраналык кос кабат кұруыныңсызбасы
Сумен әсерлескенде фосфолипидтер молекулалары өздігінен жи-
нақталып, қос қабатты мембрана түзеді. Бір құйрықты молекулалар-
дың болуы жасушалық мембрананы бұзады (8-сурет).
Бір құйрығы жоқ фосфолипид молекулалары мембрананың қос
кабатында саңылау түзеді. Соның нәтижесінде мембрананың бөгеттік
қызметі бұзылуы, жасушаның өлуі де мүмкін.
а
Саңылау
8-сурет. а — біркұйрыкты фосфолипид молекуласы кескінінің сызбасы;
б— бірқұйрықты молекулалардың мембранада саңылау түзуініңсызбасы
13
Қазіргі уақытта кеи тараған модельдің бірі — липосомдар.
Липосомдар деп тұзды су бетіне құрғақ фосфолипидтерді шашу
аркылы алынған фосфоЛипидтер көпіршігін (везикулдар) айтады. Осы
фосфолипид көпіршіктері көп кабатты болады. Оған ультрадыбыспен
әсер етіп, бір кабатты липосомдар алуға болады.
Қос молекулалы липидтер мембранасы өздігінен жинақталады.
Полярлык емес гидрофобты құйрығы мембрананың ішіне қарай ба-
ғытталып, олардын бірде-бірІ су молекулаларының полярлық ұшта-
рымен жанаспайды (9-сурет).
9-сурет
10-сурет
Сонымен қатар қос молекулалардан тұратын (көпкабатты липосом-
дар) сфералық емес көпмолярлык липосомдар алуға боладыХЮ-сурет).
Қөп қабатты липосомдардың жекеленген қос молекулалық кабаттары
бір-бірінен сумен бөлініп тұрадьт.Липидтік қабаттардың калындығы
олардың табиғатына байланысты. Липидтік қабаттардың қалындығы
6,5—7,5 нм арасында болады, ал олардың бір-бірінен арақашықтығы
1,5—2 нм болады. Көп қабатты липосомның диаметрі 60 нм-ден
400 нм-ге дейін, кейде одан да ұлкен болады.
Липосомдарда ақуыз молекулалары мүлде болмайды, сондыктан
оларды тікелей қолдануға болады. Мысалы, дәріні липосомнын ішіне
енгізіп, содан кейін сол липосомдарды фосфолипидтік қорап (капсу-
ла) ретінде пайдаланады. Липосомдықкорапты ағзаның бір нүктесіне
дәріні жеткізу үшін колдануға болады. Липосомдар улы емес, ағзада
толық қорытылады, кейбір биологиялық бөгеттерден еркін өте алады.
14
§ 3. БИОЛОГИЯЛЫҚ МЕМБРАНАЛАРДЫ
ЗЕРТТЕУ ӘДІСТЕРІ
Мембраналар қызметінің режимі липидтік қос қабаттың микро-
тұтқырлығына, мембранадағы фосфолипидтер молекулаларының қоз-
ғалғыштығына және мембраналық липидтердің фазалық күйіне
байланысты.
Қалыпты жағдайда (темперагура, кысым және қоршаған ортаның
химиялық күйі) биологиялық мембрананың липидтік фазасы сұйық
күйде болады. Ол флюоресценттік анализ, электрондық-парамагниттік
резонанс және ядролық-магниттік резонанс әдістерімен зерттеу аркы-
лы дәлелденген.
Флюоресценттік анализ мембранадағы фосфолииидтер молекула-
ларының қозғалғыштығын, мембрананыңлипидтік фазасындағы мик-
ро-тұтқырлығын аныктауға мүмкіншілік жасайды. Мембрананың
тұтқырлығын флюоресценция спектрінің өзгерісі аркылы және поля-
ризацияланған жарықпен жарықтағанда флюоресценттік сәуле шыға-
рудың Р-поляризация дәрежесімен де анықтауға болады. Поляриза-
ция дәрежесімен тұткырлықтың арасындағы байланыс Перрен мен
Яблонский формуласында көрінеді:
і і Г і іҮ, кт 'і
р з и зд )
Мұндағы А — қозғалмайтын молекулалардағы жарықтын поляриза-
циялану дәрежесі; /? = 8,31 Дж/(К-моль) — универсал газ тұрақтысы;
Т — абсолют температура; V - флюоресценттелген молекулалардың
көлемі; т - молекулалардың қозу күйінің «тіршілік» уақыты (время
жизни); 7/ — мембрананың липидтік фазасындағы тұтқырлығы.
Қалыпты жағдайда мембрана флюоресценттік жарықшығармайды.
Мембрананы флюоресценттік әдіспен зерттеу үшін мембранаға
флюоресценттік жарық шығаратын молекулалар немесе молекулалар
тобын кіргізу керек. Оларды флюоресценттік зондтар дейді. Оған жа-
татындар ДМХ-диметиламинохалкон; МБА-3 метоксибензантрон;
АНС-1-анилин-нафталин-сульфат және т.б. (11-суретті караңыз).
Электрондық-парамагниттік резонанс. Магнит өрісіндегі атомға
жиілігі иэлектромагниттік толқын әсер етсін. Электромагниттік тол-
қынның энергиясы мынаған тең:
15
Лу = қ.-ев. (3)
Мұндағы й = 6,62-1-0-34 Дж-с - Планк тұрақтысы; § — гидромагниттік
қатынас — ол парамагнит заттың табиғатына тәуелді фактор, бос элек-
трон үшін § = 2; |л8 = 0,927'10 23 Дж/Тл — Бор магнетоны; В — магнит
өрісінің индукциясы.
Электромагниттік толкынның магнит өрісінің әсерінен атом біц
энергетикалық деңгейден екінші энергетикалык деңгейге өтеді. Осы
құбылысты 1944 жылы Е. К. Завойский ашқан және ол электрондық-
парамагниттік резонанс деп аталады.
Атом бір энергетикалық деңгейден екінші деңгейге тек қана белгілі
бір жиілікте ғана өтеді, олай болса, бұл резонанстықсипат алады. Энер-
гетикалықдеңгейлерге өту атомдардың магнит моментіне байланысты
болады (электронңың магнит моментінен бөлек, ядролық магниттік
момент бар екенін ескерте кетейік). Бұл құбылыс тек парамагниттік
заттарда ғана байқалады. Диамагнетиктерде атомдардың магнит моменті
нөлге тең, сондықтан резонанс құбылысы болмайды.
(3) тендеуден резонанстық жиілікті табайық: егер магнит өрісінің
индукциясы В = 0,3 Тл-ға тең болса, онда жиілік V » 1010 Гц, болады.
Олай болса электрондық парамагниттік резонанстың жиілігі радио-
толқынның жиілік аралығына сәйкес келеді екен.
16
Электромагниттік толкынның әсерінен атом жоғарғы энергетика-
лыкдеңгейге кандай ыктималдыкпен өтсе, төменгі деңгейге өту ыкти-
малдығы да тура сондай болады. Егер атом жоғарғы энергетикалык
деңгейге өтсе, электромагниттік толкынның энергиясы азаяды және
керісінше төменгі деңгейге өтсе — көбейеді. Егер парамагнетик жылу-
лык тепе-тендікте болса, онда атомдар энергетикалык деңгейлерге
Больцман заңы бойынша тарайды. Олай болса энергиясы аз атомдар-
дан жоғарғы энергиялы атомдар саны көп болады. Соның нәтижесінде
толкынның интенсивтілігі азаяды — парамагнетик электромагниттік
толқынды жұтады, сол себептен ол қызады.
Қорыта келе, тұракты магнит өрісіндегі парамагнит заттарда
электромагниттік өрістің белгілі бір жиілікте ғана жұтылу процесі
электрондык-парамагниттік резонанстың негізі болады.
Электрондық-парамагнитгік резонансты зерттеуге арналған аспапты
радиоспектрометр дейді. Ол (12-сурет) — біртекті күшті магнит өрісін
тудыратын 1 — электромагниттен, 2 — электромагниттік толқын гене-
раторынан (V » 1010 Гц немесе /, = 0,003 м), 3 — зерттелінетін нұскадан,
спектрді жазуға арналған 4 — электрондык схемадан, 5 - спектрді ба-
кылауға арналған жүйеден (ол жазатын кұрал немесе осциллограф)
тұрады.
1 £
12-сурет
Ядролық-магниттік резонанс — деп тұракты магнит өрісіндегі
парамагниттік ядролардың электромагниттік толқын энергиясын
жұтуы кенет өтетін кұбылысты айтады. Парамагниттік ядролардың
магниттік моменті болады, мысалы, (Н’, 6С\ 15Р3’ және т.б. Кейбір
ядролардың магниттік моменті болмайды. мысалы: ,Н4, вО16, ,С’2
' 2 у 5 0
17
және т.б. Биологиялык объектілерде парамагниттік ядролар аса көп.
Мысалы Н’-протондарды ЯМР-та колдануға болады.
Ядроға электромагниттік өрісімен әсер етіп, оны бір энергетика-
лык деңгейден екінші энергетикалық деңгейде өткізуге болады. Ол
үшін әсер етуші электромагниттік толқынның энергиясы мынаған тең
болуы керек:
Мұндағы £ - Ланденің ядролык көбейтіндіні, оның парамагниттік
ядросы үшін мәні әртүрлі болады, мысалы фотон үшін % = 5,58;
— ядро магнетоны, ол Бор магнетонының 1/1836 бөлігіне тең, яғни
ця= 1/1836. Егер магнит өрісінің кернеулігі В ~ I Тф^^лсл онда айньі-
малы электромагнит өрісінің жиілігін жоғарыдағы тендеу арқылы та-
буға болады, яғни V - 5-107 Гц. Бұл жиілік ЭПР жиілігінен көп кіші.
Флюоресценттік, ЭПР және ЯМР әдістері арқылы мембранадағы
фосфолипидтер молекулаларының қозғалғыштығы өте үлкен, ал тұт-
қырлығы аз болатыны дәлелденді. Қалыпты физиологиялық жағдайда
мембрананың липидтік бөлігі сұйык күйде болады, оның тұтқырлығы
т| » 0,3-1 Па с.
Салыстыру үшін 20°С температурадағы судың тұтқырлығын (т| •=
= 0,01 Па-с) және өсімдік майының тұткырлығын (Кастор майы үшін
тімай= 1,2 Па-с) қарастырайық. Бұдан липидтердіңтұткырлығы өсімдік
майыныңтұтқырлығына жуыккелетінін көреміз. Липидтердің тұтқыр-
лығы аз болғанда олар тез қозғалады екен, ал тұтқырлык коп болса,
керісінше баяу қозғалады екен. Липидтік молекулалардын козғалғыш-
тығының үлкен болуы латеральдық (бүйірден) диффузияға әсер етеді.
Латеральдык диффузия деп липидтер мен ақуыздар молекулалары-
ның мембрана жазықтығында хаостық жылулық қозғалысын айтады.
Латеральдық диффузияда липидтердің қатар орналасқан молеку-
лалары орындарын (секірген сияқты) өте тез ауыстырады. Осындай
орын ауыстыру нәтижесінде молекула мембрана бетін жанай козғала-
ды. Уақыт бірлігінде (I) диффузия салдарынан молекулалардың орын
ауыстыруынын орта квадраттық мәні Эйнштейн формуласымен
анықталады:
Қ„ = 2,/дҒ.
Егер 5 белгілі болса, онда диффузия коэффициентін (Д) анык-
тауға болады.
18
Жасуша мембранасының бетімен I уакыт ішінде козғалған моле-
кулалар тәжірибе жүзінде флюоресценттік белгі әдісімен анықталған,
Флюоресценттік белгі деп флюоресценттік молекулалар тобынын
зерттелетін молекулалармен қосылысын айтады. Флюоресценттік
белгілер жасушаныңбетімен қозғалған молекулаларда флюоресценттік
молекулаларға айналдырады. Сондықтан флюоресценттік жарықты
шығаратын молекулаларды микроскоп арқылы зерттеуге болады.
Флюоресценттік молекулалардың орын ауыстыру жылдамдығын
аныктау үшін жарықсыздандыру (кейде қараңғылық әдісі дейді) әдісі
кең қолданылады. Бұл әдІсте флюоресценттік белгісі бар молекуланы
жасушаға кіргізеді де, одан кейін оған лазер сәулесімен әсер етеді.
Лазер сәулесініңәсерінен молекулалар флюоресценттік жарықшығару
қабілетінен айырылады. Осы зонадағы жасушалардыңфлюоресценттік
қабілетінің қайтадан қалпына келу жылдамдығын анықтау арқылы
латеральдық диффузияның жылдамдығын аныктайды.
Фосфолипид молекулаларының мембрана бетімен бір секундтағы
қозғалысының орта квадраттық шамасы жуық мөлшермен 5 мкм бол-
ған. Бұл шама жасушаның размерімен шамалас.
Олай болса, бір секундта молекула кішігірім жасу шаның бетін толық
«жүріп» өтеді екен.
Сонымен қатар ақуыз молекулаларының қозғалысыныңорта квад-
раттық шамасы I секундта ~0,2 мкм болатыны дәлелденген.
Эйнштейн формуласымен анықталған липидтердің латеральдык
диффузия коэффициенті:
д.„
5,; _ 5-10 6 м:
4/ 4 с
м2/с.
Ақуыздар үшін латеральдық диффузия коэффициенті
0,2 10’6 м2
Да
= 10“и м~/с
4 с
Латеральдық диффузияның әсерінен молекулалардың бір орыннан
екінші орынға ауысу жиілігін (1 секундта) мына формуламен анық-
тауға болады:
19
Мұндағы 5— мембранадағы бір молекула орнының ауданы (фосфоли-
пид үшін 5- 7-10’19м2). Фосфолипид молекулаларының орын ауысты-
ру жиілігі
и«2,/зС!С2.ДА~27з-10’ -.
V 610’1’ м’ с
Сонымен, фосфолипидтің әрбір молекуласы 1 секунд ішінде онда-
ған миллион рет орнын ауыстырады екен (бір орнын ауыстыруға
кететін уакыт 1= Ю-7—10_* с).
Флип-флоп — ол мембраналық фосфолипидтер молекулаларының
мембранаға көлденёң диффузиясы. Мембрананың бі^ретінен екінші
бетіне молекулалардың «секіріп» өтуі (флип-флоп)^іиііид мембрана-
ларының модельдерінде (липосомдарға) тәжірибе жүзінде анықталды.
Липосомдарды кұрайтын фосфолипид молекулаларының бір тобына
спиндік белгі койылған. Ол молекулалык топта жұпсыз электрондар
бар. Липосомдарға аскорбин кышқылымен әсер еткенде молекулалар-
дағы жұпсыз электрондаржоғалып кеткен, парамагнитті молекулалар
диамагнитті молекулаларға айналған. Алдымен липосомның сыртқы
бетінде орналасқан молекулалардың жұпсыз электрондары «бейтарап-
танған». Сондықтан жұпсыз электрондар саны екі есеге жуык азайған.
Липосомдардың аскорбин қышкылы бара алмайтын ішкі қабатта-
рында электрондық-парамагниттік резонанс спин-белгілерімен анык-
талған бұл тәжірибеде де жұпсыз электрондар саны азайғаны дәлел-
денген. Себебі липосоманың қос қабатты мембранасынын ішкі каба-
20
тынын. спин-белгісі бар молекулалар сыртқы қабатына «секіріп» өтеді,
сөйтіп флип-флопты болады. Спин-белгілі молекулалардың жартысы
мөлшермен 6,5 сағат ішінде флип-флопка өтеді (13-сурет). Баскаша
айтканда жұпсыз электрондар саны екі есе азаяды.
Сонымен, қос қабатты мембрананыңбір бетінен екінші бетіне мо-
лекулалардың өтуін латералды диффузияға карағанда, флип-флопта
баяу өтеді. Фосфолипид молекулаларының флип-флопта өтуі мөлшері
1 сағатқа жуық уақыт ішінде болады. Осыны мембрана жазықгығын-
дағы молекулалардың бір орыннан екінші орынға өтуімен (т « 10’7-10'8 с)
салыстырсақ, флип-флоптыңорташа уакытыондаған миллиардесе көп
екендігін көреміз. Мембраналык фосфолипидтер молекулаларының
көлденеңөтуі оның (мембрананың) молекулалыккұрылысын реттейді.
Сонымен қатар мембрананыңанизотропиялығын, липидтермен акуыз
молекулаларының ассиметриялығын, ақуыз-ферменттердің мембрана-
дағы көлденең бағытын қамтамасыз етеді.
§ 4. МЕМБРАНАДАҒЫ ЛИПИДТЕРДІҢ ФИЗИКАЛЫҚ КҮЙІ
Температураға, кысымға, химиялык компоненттердің таралуына
байланысты заттың физикалык күйі-сұйық, катты дене және плазма
болады.
Қатты дененің меншікті көлемі, пішіні, механикалық беріктігі
болса, сұйыктар акқыш, олардың меншікті көлемі болғанмен пішіні
өзгергенде серпімділігі және механикалык беріктігі болмайды.
Сұйықтар мен қатты денелердің басты айырмашылығы - оларды
кұрайтын бөлшектердің қозғалысында. Қатты дененің де, сұйыктың
да молекулалары өздерінің тепе-теңдік күйінің маңында тербелмелі
(кейде айналмалы) қозғалыста болады. «Орныктылык уакыты» деп
аталатын уақыт өткенде молекулалар өздерінің орындарын ауыстырады.
Қатты денелер молекулаларының «орныктылық уакыты» сұйықтарға
карағанда аса көп. Сондықтан қатты дене өзінің пішінін сақтайды, ал
сұйыктар аққыш болады.
Физиологиялық жағдайда липидті к қос қабатты мембраналар сұйық
күйде болады. Мембранадағы фосфолипидтер молекулаларының
«орныктылық уақыты» өте аз, ол мөлшермен 10’7—10’8 с болады.
Сонымен катар мембранадағы молекулалардың орналасуы ретсіз
емес. Олардың орналасуында кашыктыктан реттелетін (дальный по-
рядок) байланыс бар. Фосфолипид молекулалары қос қабатты болып
21
орналасады, олардың гидрофобты кұйрықтары бір-біріне параллель
орналасады, ал гидрофильді бастары бір бағытта болады.
Молекулалар арасындағы байланыс, қашыктан реттелетін, бірак
агрегаттык күйі сұйык болса, онда оны сүйық — кристалдьі күй дейді.
Суйық — кристалды күй температураның, қысымның, химиялык
құрамның және электр өрісінің өзгерістеріне аса сезімтал болады.
Жоғарыда аталған параметрлердің өзгерісі мембрананың липидтік кос
қабатын өзгертеді. Осы шарттар өзгергенде баска фазалыккүйге (сұйык
күйден катты денеге немесе сұйык күйден газға ) әтуі мүмкін.
§ 5. МЕМБРАНАДАҒЫ ФАЗАЛЫҚ АУЫСУ
Заттың температурасы, қысымы, химиялык кұрамы өзгергенде ол
бір агрегаттык күйден екінші күйге өтеді. Мысалы ол газ күйінен сұйық
күйіне, немесе сұйык күйінен қатты денеге, немесе кері бағытта өтуі
мүмкін. Түрліше физикалык әдістермен зерттеудің нәтижесінде белгілі
біртемпературада мембрана бір күйден, екінші күйге өтетіні дәлелден-
ген. Мысалы температуратөмендегенде фосфолипидті мембрана сұйык
кристаллды күйден қою (гель) күйге өтеді. Осы күйді шартты тұрде
катты кристаллды күй деп атайды. Қою күйінде молекулалар ретті
орналасса, сұйық кристалды күйде олардың реті бұзылады (14-сурет).
Қою күйдегі мембранада барлық фосфолипид молекулаларының
көмірсутекті гидрофобты құйрықгары бір-біріне қатаң түрде парал-
лель орналасады. Сұйық кристалда жылулық козғалыстың әсерінен
4." нм
Д £_
0.58 нм2
# $ ш Ж'
5.9 нм
Сүйык кристалл
Температураның өсуі
14-сурет
22
молекулалардыңқұйрыктары иіледі, олардың бір-біріне параллель ор-
наласу күйі, әсіресе ортасында, бұзылады. Сондықтан мсмбрананың
қою фазасында оның калыңдығы 4,7 нм болса, сұйыккристалл күйдегі
мембрана одан жұқа (3,9 нм) болады. Бірак қатты кристалды күйден
сұйық кристалды күйге өткенде мембрананың ауданы артады.
Мысалы катты кристалды мембрананын ауданы 0,48 нм2 болса,
сұйык кристалды мембрананың ауданы 0,58 нм2 болады (14-сурет).
Мембрананың қалыпты қызметін қамтамасыз ету үшін ол сұйык-
кристалды күйде болуы керек. Сондықтан қоршаған ортаның темпе-
ратурасының ұзак уақыт кдлыпты деңгейден төмен болуы мембрананың
химиялык құрамын өзгертеді. Соның нәтижесінде фазалық ауысудың
температурасы төмендейді.
Липидтік мембрананың химиялық құрамы өзгергенде оның катты
кристалл күйінен сұйык кристалл күйіне фазалык ету температурасы -
20°С -ь 6О°С арасында болады. Төменгі температурада (-20°С) қанықпа-
ған липидтерден құралған мембраналардың фазалык күйі ауысады.
Жоғарғы температурада (+6О°С) қаныкқан липидтерден құралған мем-
браналардың фазалық күйі ауысады. Температура төмендегенде
микроорганизмдердің, өсімдіктердің және жануарлардың мембрана-
сында қаныкпаған липидтер саны артады.
Сондықтан биологиялық мембраналардың зақымдануы мемрана-
ның сұйық күйден қою күйге өту фазасына байланысты болуы мүмкін.
Мембранадағы фазалык ауысу ондағы өзгерістермен қатар жүреді.
Биологиялық мембранада холестериннің көп болуы мембрананың
өзгерісін азайтады.
Кейбір микроорганизмдердің биологиялық мембранасының тем-
пературасы фазалык ауысу температурасына өте жуык болады. Мемб-
ранада фазалық ауысуы әртүрлі көптеген липидтер бар, бірақ олардың
физиологиялық күйлері бір-біріне жуык болады.
Қатты кристалды күйден сұйык кристалды кұйге және одан кері
қарай өткенде липидтік кос кабатта радиусы 1—3 нм арна (канал) пай-
да болады. Сол арна арқылы иондар мен төменгі молекулалық қосы-
лыстағы заттар мембранада тасымалданады. Соның нәтижесінде мем-
брананың иондық өткізгіштігі кенет артады.
Мембрананың иондыкөткізгіштігі артқан кезде су мен түрліше тұз-
Дар жасушадан шығады. Осы процесс температура темендегенде жасу-
шаны зақымданудан сақтайды. Фазалыкауысу кезіндегі мембрананың
иондарды өткізгіштік касиетінің артуы кейбір микроорганизмдердің
23
мембраналык зат алмасу процесін жақсартады. Осы теро- және хемо-
терапияда үлкен роль аткарады. Мембрана аркылы иондардың тасы-
малдануы — биопотенциалдардың пайда болуының негізі екені және
иондык өткізгіштіктің өзгерісі нерв импульсын тудыратыңы белгілі.
Хеморецепцияның кейбір түрлері мембраналык липидтердің фа-
залык ауысуымен байланысты болуы мүмкін. Себебі, фазалык ауысу
температураның өзгерісіне ғана тәуелді емес, сонымен катар ол қор-
шаған ортаның химиялық құрамының өзгерісіне де тәуелді. Мысалы,
мембрананың сұйык кристалды күйден катты кристалды күйге өтуі
мембрананы қоршаған Са2+-тыңсудағы ерітіндісініңтаралымының арту
(көбею) саддарынан болуы мүмкін. Са2+-тың судағы ерітіндісінің мем-
бранадағы физиологиялық диапозоны 1^-10 ммоль/л^ф&ында болады.
§ 6. БИОЛОГИЯЛЫҚ МЕМБРАНАЛАР АРҚЫЛЫ
ЗАТ ТАСЫМАЛДАУ
Жасушаның қозуы, ондағы АТФ-тің синтезі, иондык кұрамы
мен судың мөлшері биологияның мембрана аркылы зат тасымалдау
процесімен тығыз байланысты. Зат тасымалдау жылдамдығының
өзгеруі биоэнергетикалық процестерді, су-тұз алмасуын, жасушаның
қозуын өзгертеді. Оны калпына келтіру үшін көптеген дәрі-дәрмек
қолданылады.
Биологиялықмембраналарарқылы заттасымалдаудыңекі түрі бар:
енжар (пассивті) және белсенді (активті) тасымалдау.
Енжар тасымалдауда жасушадағы заттың таралымы (концентра-
циясы) көп орыннан (С,), таралымы аз орынға (С2) қарай; ал электро-
литтерде электр өрісінің потенциалының мәні жоғары (ф,) орыннан
потенциалы төменгі (<р2) орынға қарай бір бағытта жүреді.
Белсенді тасымалдауда заттың таралымы (концентрациясы) аз
"ррыннан таралымы көп орынға карай, яғни сол зат электр потенциал-
дары төменгі мәндегі орнынан жоғарғы мәндегі орнына карай тасы-
малданады.
Баеқаша айтканда, енжар тасымалдау — электрохимиялык потен-
циалының мөні жоғарғы (ц^ орыннан мәні төменгі орынға (ц2) қарай,
, ал белсенді тасымалдау мәні төменгі орыннан жоғарғы орынға қарай
өтеді. Мембранадағы кез келген К-затыныңхимиялыкпотенциалы (рқ)
деп бір моль затты тасымалдауға шығындалған энергия мөлшерін
айтады:
24
Ғо + ТТ\пСк. (1)
Мұндағы д0 — тасымалданатын заттың тұрақтысы; /? - универсал газ
тұрақтысы; Т— абсолют температура; СА. — заттыңтаралымы. Заттың
электрохимиялық потенциалы (//Д деп электр өрісіндегі 1 моль затты
тасымалдаудағы қажет энергия мөлшерін айтады
д. = //0 + КТ 1п Ск + 2Ғ<р. (2)
Ғ = 96 500 Кл/моль — Фарадей саны; 7. — электролит иондарының
заряды, <р — электр өрісінің потенциалы.
Енжар тасымалдауда АТФ-тің энергиясы шығындалмайды, ол зат
таралымының өзгерісіне байланысты өздігінен жүреді. Белсенді та-
сымалдау өздігінен жүре алмайды, ол АТФ-тің макроэнергетикалық
байланысындағы энергиясының әсерінен өтеді.
§6.1. Мембрана арқылы енжар (пассивті) зат тасымалдау
Жасушаның екі жағындағы зат таралымының (концентрациясы-
ның) өзгерісі (градиенті) енжар зат тасымалдаудың негізгі механизмі
болады да, ол диффузия кұбылысымен түсіндіріледі.
Диффузия деп молекулалардың хаостық жылулык қозғалысының
әсерінен заттың таралымы көп орыннан таралымы аз орынына қарай
өздігінен өтуін айтады.
Диффузия процесінің математикалық жолымен сипаттаған ғалым
Фикболған. Фик заңы бойынша диффузия жылдамдығы сол зат-
ІЪ--------
2!
ік' • ге
тың — таралымынын өзгерісіне (градиентіне) және дифф уаміғөтетін
сіх
8 ауданына тура пропорционал:
сИ СІХ
Диффузия жылдамдығы деп уақыт бірлігінде белгілі бідаұІіаҒ&йій
өтетін зат мөлшерін айтады. Минус (-) таңбасы диффузи і
ралымы көп орнынан таралымы аз орнына қарай өтетіні ғ$4|сі<£еді.
Диффузия коэффициенті деп сол заттың таралымының ө л^рісі бірге
тең болғанда диффузия жолындағы аудан бетінен уакыъ^ірлігінде
25
отетін заттын. массасын айтады. А. Эйнштейн диффузия коэффи-
циентінің температураға тәуелділігін аныктады, од мынаған тен:
Д-СтРТ (4)
Олай болса (3) тендеуді былай жазуға болады.
(7/ д _ . „ с/С
— = и„дт$—. (5)
Ш (IX
Мұндағы Ц - диффузияға катынасатын молекулалардың козғалғыш-
тығы (жылдамдығы). (3) теңдеуді былай жазайық:
(7)
1 (ІП1
7 =------шамасын тасымалданатын заттың ағынының тығыздығы
5 Д
деп белгілейік те (5) теңдеуді былай жазамыз:
СІХ
Жасуша мембранасындағы заттың таралымын аныктау киын бол-
ғандыктан, диффузия процесін Р-заттың өтімділік коэффициентімен
сипаттайды. Ол үшін мембрананың ішкі және сырткы беттеріндегі
заттың таралымын С және Со деп белгілейік. Молекулалардьің тара-
лымының өзгерісін былай жазайык:
ас _ Со -
(ІХ I
Мұңдағы / — мембрананың қалындығы. Осыны ескеріп (6) теңдеуді
былай жазамыз:
(8)
/•/=-Д(С0-С)=Д(С-С0). (9)
Сонымен қатар мембранамен коршаған ортаның арасындағы зат-
тың таралу коэффициентін (к) ескеріп (9) теңдеуді былай жазамыз:
У = ^-(С,-С„). (10)
д
— - Р өткізгіштік коэффициенті. Осы теңдеу биологиялық мем-
26
бранадан диффузия нәтижесінде өтетін затағыныныңтығыздығының
тендеуі болады:
}=ҢСГСО). (11)
Мұндағы Р — өткізгіштік коэффициенті, ол Д - диффузия коэф-
фициентіне ұксас. Бірақ диффузия коэффициенті заттың табиғатына
және температурасына ғана тәуелді болса, өткізгіштік коэффициенті
сонымен катар мембрананың касиетіне тәуелді болады.
Жасушалар термодинамикалық жүйе болғандыктан, стационарлы
(тұракты) және өтпелі күйде болуы мүмкін. Жасуша стационарлык
күйде болғанда тең уакыт аралығында сыртына карай өтетін диффу-
зия, оның ішіне карай өтетін диффузияға тең болады. Ол таралым
өзгерісін теңестіріп тұратын метаболикалық процестің роліне байла-
нысты болады. Мысалы, жасушаға келген фосфор анионын нуклео-
тидтер мен нуклиен кышқылымен, нуклепротеидтермен және фос-
фолипидтермен қосқанда жасушадағы неорганикалық фосфаттын
таралымы азаяды. Осы қосылыс анионының таралымының өзгерісін
жасуша мен қоршаған ортаның арасында тұракты етіп ұстайды. Осы
тұрақтылық диффузиялык зат жасушаның ішіне қарай өткенде ғана
емес, ол алмасу өнімдерінің жасушадан сыртқа қарай өтетін диффу-
зияға да тән процесс.
Егер диффузияланатын заттын молекулалары басқа молекулалар-
мен кешен жасамай козғалса. ондай диффузияны карапайым диффу-
зия дейді.Одан басқа жеңілденген және алмасу диффузиясы бар.
Глюкозаның, глицериннін, аминқышқылының және т.б. заттар-
дың молекулаларының таралымы белгілі бір шамаға жеткенде олар-
дың жасушаға қарай өту жылдамдығы қарапайым диффузияға кара-
ғанда үлкен болады. Бұдан осы диффузия карапайым емес, жеңілденген
диффузия болатынын байқау қиын емес.Жеңілденген диффузия та-
сымалдағыш молекулалардың қатынасуымен болады. Тасымалдағыш
заттыңХ молекуласы тасымалданатын заттың А молекуласымен қосы-
лып бір кешен АХ кұрайды. АХ кешені жасушаға қарай диффузияла-
нады (15, а-сурет). Жасушада А молекулалары босайды, ал Х-қосал-
кы заттың молекуласы бастапкы орнына қайта оралып,басқа молеку-
ламен қосылады. Мембрананың ішкі және сыртқы қабаттарында А
заттың молекулаларының таралуы теңескен кезде зат тасымалдану
процесі токтайды.
27
4 I —I— х —г АХ > X + А
АІ ।
і Мембрана I
15-сурет
Жеңілденген диффузия қозғалыстағы тасымалдағыш молекулалар-
дың әсерінен ғана емес, сол сиякты «жылжымайтын» молекулалардың
әсерінен де болады. Тасымалдағыштар мембрананың ішінде саңылау
жасай жайылады. Тасымалданатын заттың молекуласы (А) бір буын-
нан екінші буынға қарай сатылай қозғалады (15, б-сурет).
Жеңілденген диффузияның бір түрі — алмасу диффузиясы. Алма-
су диффузиясында қосалқы зат диффузияланатын затпен косылып
мембрананың екінші бетіне карай өтеді. Екінші бетке келгенде тасы-
малданатын зат босайды, оның орнына сол заттың баска молекуласы
косылып кері қарай тасымалданады. Сонымен заттың тасымалдануы
тұйықталған болып, мембрананың бетіндегі молекулалардың таралы-
мы өзгермейді.
Қорыта айтканда, жеңілденген диффузияның қарапайым диффу-
зиядан мынандай айырмашылығы.бар:
а)тасымалдағыштың көмегімен заттарды тасымалдаужылдам өтеді;
ә) жеңілденген диффузияның каныкқыштык касиеті бар: мембра-
наның бір бетіндегі заттың таралымы қанша көп болғанымен екінші
бетіне сол заттың молекулалары белгілі бір шамада ғана өте алады;
б) жеңілденген диффузияда тасымалданатын заттар арасында
бәсекелік болады: бір заттың молекулалары басқа заттың молекулала-
рына қарағанда көп тасымалданады;
в) жеңілденген диффузияны токтатын заттар бар, олар тасымал-
даушының молекулаларымен берік кешен кұрайды.
28
§ 6.2. Белсеиді (активті) зат тасымалдау
Белсенді тасымалдау деп заттын электрохимиялык потенциалы аз
орнынан оның көп орнына қарай тасымалдануын айтады.
Мембранада белсеңді зат тасымалдау өздігінен жүре алмайды. Ол
аденозин-трифосфат (АТФ) кышқылының гидролиздену процесімен
қатар жүреді, яғни бұл тасымал АТФ-те жинакталған энергияны шы-
ғындау есебінен болады.
Биологиялык мембрана арқылы белсенді тасымалдаудың маңызы
аса зор. Белсенді зат тасымалдаудын әсерінен мембранада заттаралы-
мының өзгерісі электр потенциалдарынын. өзгерісі, қысым өзгерісі
және т.б. тіршілікті қамтамасыз ететін процестер өтеді.
Биологиялық мембрана арқылы белсенді зат тасымалдауды алғаш
рет 1949 жылы тәжірибе жүзінде Уссинг дәлелдеген. Уссингтың экс-
перименттік камерасы Рингер ертіндісімен толтырылып, бақанын жас
терісімен скіге бөлінген. 16-суреттің сол жағына терінің сыртқы му-
коздыкбеті, оң жағына - ішкі сероздыкбеті караған. Осы тәжірибеде
бақаның терісі арқылы солдан оңға қарай (сырткы беттен Ішкі бетке
карай) және оңнан солға қарай (ішкі беттен сырткы бетке қарай)
натрий иондарының ағыны бақылауға алынған.
16-сурет
29
Рингер ерітіндісін екігебөліптұрған баканынтерісінің ішкі бетінің
потенциалы оң боладьц ал сыртқьі бетінін потенциалы теріс болады.
Сонымен қатар бақа терісінің ішкі және сырткы беттеріндегі ион-
дар таралымы тең болған,
С = С
сырт ІШКІ *
Олай болса мембрана арқылы заттасымалдаудың қосындысы нөлгетең.
Бірак бақаның терісі арқылы тұракты ток өтетін болғандықтан
зарядталған бір бағытта ғана тасымалданады. Сонымен катар электр
тогы бақа терісінің сыртқы бетінен ішкі бетіне карай өтеді.
Белгіленген атомдар әдісімен бақыланғанда натрийдің ішке карай
өтуі сыртқа қарай өтуінен көп болған. Оны дәлелдв|яфйіін экспери-
мент камерасынын сол бөлігіне радиоактивті На^, ал оң белігіне
радиоактивті Ыа24 изотоптарын қосқан. На2- изотопы у-сәулесін шы-
ғарса, изотопы Р-бөлшегін шығарады. у-сәулесін және р-бөлшегін
тіркеу аркылы На ':’ ағыны Ка24-тің ағынынан көп болғаны аныкталады.
Осы нәтижелер бақаның терісі арқылы натрий иондарының тасымал-
дануы енжар зат тасымалдану зандылығына бағынбайтыны дәлел-
денеді. Олай болса, осы процесте белсенді зат тасымалдану болады.
Сонымен катар биологиялық мембранада иондық насос бар екені
дәлелденді. Ол АТФ гидролизінің бос энергиясы есебінен жұмыс ат-
карады.
Қазіргі уақытта мембрана аркылы иондарды белсенді тасымалдай-
тын ионДық электрогендік насостың үш түрі бар екені дәлелденді. Олар:
1 — К+-^а+-АТФ-аза (цитоплазматикалық мембранада);
II — Са2+-АТФ-аза (саркоплазматикалықретикулум мембранасын-
да, Са2+- насос);
III - Н+-АТФ-аза немесе протондык помпа (энергия тасымалдайтын
митохондрий, хлоропласт және бактерия мембранасында). АДФ-мо-
лекуласының гидролизі кезінде босайтын энергияның әсерінен жасу-
шаға калийдің екі ионы, жасушадан натрийдің үш ионы тасымалда-
нады. Сонымен жасушааралық ортамен салыстырғанда жасушаның
ішінде калий иондарынын таралымы артып, натрий иондары азаяды
екен. Осындай өзгерістің физиологиялық манызы аса зор.
Сүзу (фильтрация) деп кез келген бөлгіштің саңылауынан гидро-
статикалык қысымның әсерінен өтетін сұйыктың козғалысын айта-
ды. Сүзу жылдамдығын — Пуазейль формуласымен аныктайды:
I & }
30
(IV _ 7ГГ~ (7] -/> )
<Р %Г]1
(12)
Мұндағы V — сүзілген сүйыктың көлемі; і - уакыт; г — санылаудың
радиусы; I — саңылаудың ұзындығы; Р — Р2 — санылаудын ұштарын-
дағы қысымдардың айырмасы, р — сұйыктың тұтқырлығы.
Сұйықтарды сұзу процесі қан тамырларының қабырғалары аркы-
лы суды тасымалдау үшін маңызы аса зор. Артериялык жүйеде өтетін
сүзудің нәтижесінде су қан тамырларынан шығып лимфа мен байлам
ұлпаларынан әтеді. Көктамырлык(веналык) жұйеде осмостың әсерінен
су ұлпадан шығып плазмаға өтеді. Қалыпты жағдайда қылтамыр (ка-
пилляр) аркылы көктамыр жүйесіне келіп кұиылған судың мөлшері
артериялык жүйеден шыққан судың көлеміне тең болуы керек. Пато-
логиялық жағдайда бұл тепе-теңдік бұзылады.
ОСМОС. Жасушалык мембрана кейбір заттарды, мысалы суды жақ-
сы өткізсе, кейбір заттарды нашар өткізеді. Осындай мембрананы жар-
тылай өткізетін мембрана дейді. Жартылай өткізетін мембранадан су,
негізінен, осмос арқылы өтеді.
Осмос деп жартылай өткізетін мембрана аркылы еріген заттың аз
орнынан таралымы көп орнына қарай козғалған су молекулаларын
айтады. Осы қозғалыска келтіретін күшті осмостык кысым дейді.
Осмостык қысым ерітіндінің таралымына және температурасына
тәуелді. Оны Вант-Гоффтыңтеңдеуімен түсіндіруге болады.
Р = іРСТ. (13)
Мұндағы Р - универсал газ түрақтысы; С — ерітіндінің таралымы; і —
изотониялык коэффициент; Т— абсолют температура.
Мембрана арқылы судың осмостық тасымалдану жылдамдығын
мына теңдеу арқылы аныктауға болады.
= (14)
Мұндағы -—- — мембрана арқылы уақыт бірліпнде өтетін судын
(Р
мөлшері; 5— мембрананың ауданы; Р{ және Р мембрананың ішкі және
сыртқы беттеріндегі осмостық кысым; к — өткізгіштік коэффициенті.
Жасушаның ішіне карай судың қозғалысы жасуша мен сыртқы
ортаның арасындағы осмостык қысым айырмасы нөлге тең болғанға
дейін өтеді.
31
ІІ-тарау
БИОЭЛЕКТРЛІК ПОТЕНЦИАЛДАР
Жасушалардың қозуы, жасуша ішіндегі процестерді реттеу жүйке
жүйесінің жұмысы, бұлшық еттердің жиырылуы — тірі жасушалар
мен тіндердегі аса маңызды физикалық құбылыстар. Осы құбылыс-
тар электр потенциалдарының пайда болуына және таралуына тікелей
байланысты. Жеке жасушалардың, жүйке талшықтарыныңжәне тұтас
ұлпалардың электрлік сипатының өзгеруі түрліше патологиялық жағ-
дайларға тән құбылыс. Мысалы, жүректің биоЯ0*&щиалдарының
өзгерісі — жүректің қалыпты физиологиялык күйі бұзылып, патоло-
гиялык күйге өткендігін көрсетеді.
Жасушаларда биопотенциалдардың пайда болуын анықтауда алды-
мен жасуша электрофизиологиясының тәсілдері зор ықпал жасады.
Сонымен катар биопотенциалдарды күшейту үшін арнайы жасалған
электрондық күшейткіштердің ролі де аса маңызды болды. Электро-
физиологиялық зерттеулердің нәтижесі және жасушалар мен тіндердегі
зат тасымалдау процесінің физикалык және математикалык модельдері
жасушалардағы электрогенез теориясының негізін кұрайды.
§ 7. ДИФФУЗИЯЛЫҚ, МЕМБРАНАЛЫҚ
ЖӘНЕ ФАЗАЛЫҚ ПОТЕНЦИАЛДАР
Биоэлектрлік потенциялдардың пайда болуы жасушапардың ішін-
дегі жәнеоларды қоршаған ортадағы иондардыңтаралымыныңәртүрлі
болуына байланысты. Сонымен қатар жасушалардың түрліше ион-
дарды өткізгіштік касиеттерінің түрліше болуына да байланысты.
Осыңдай потенциалдарға диффузиялық, мембраналық және фазалык
потенциалдар жатады.
Диффузиялық потенциалдар екі сұйықтың шекарасындағы иондар-
дың қозғалыс жылдамдығына тәуелді болады.
Ортасы кеуек затпен бөлінген, ішіне су құйылған ыдыстың (17-сурет)
сол жағына тұз кышкылын (НСІ) кұйғанда оның таралымы ыдыстың
сол жағында көп болып, оң жағында аз болады. Соның нәтижесінде
сутегі мен хлордың иондары ыдыстың сол жағынан оң жағына қарай,
диффузиялық құбылысқа сәйкес өте бастайды. Иондардың диффу-
32
зиялык жылдамдығы олардың қозғалғыштьіқ касиетіне байланысты.
Біздің карастырып отырған мысалда сутегі иондарының қозғалғыш-
тығы хлор иондарының қозғалғыштығынан үлкен. Олай болса, ыдыс-
тың екінші жағына алдымен сутегі иондары, одан кейін хлор иоңдары
өтеді. Сондықтан ыдыстың оң жағында сутегі иондарының, оң жа-
ғында хлор иондарының таралымы көп болады. Сутегі иондары оң,
хлор иондары теріс зарядты болғандыктан ыдыстың оң жағында оң
заряд,сол жағында теріс заряд жинакгалады.
Пайда болған потенциалдардың электр өрісі диффузиялық күшке
карама-карсы болғандықтан «тез» қозғалатын иондардың жылдамдығы
азайып, «баяу» қозғалатын иондардың жылдамдығы артады. Иондар
диффузиясының жылдамдығы теңескенде диффузиялык потенциал-
дар айырымы максималды мәніне жетеді. Диффузиялык потенциал-
дар айырымын (Дф) Гендерсон теңдеуімен аныктауға болады:
=
I)-V КТ а,
----------1п —.
V +1) пҒ а2
(1)
Мұндағы V — катиондардың козғалғыштығы; о - аниондардың қоз-
ғалғыштығы; К — универсал газ тұрақтысы; Т- абсолют температура;
п — иондардын валенттілігі; Ғ Фарадей саны; а{ — диффузиямен
бағыттас козғалған иондардың белсендідігі; а2 — диффузия бағытына
қарсы бағытталған иондардың белсенділігі. Иондар бір-бірімен
әсерлеседі. Сонымен катар олар зарядталған баска молекулалар тобы-
мен де әсерлеседі. Сондыктан иоңдардың белсенділігі олардың абсо-
лют таралымынан кем болады.
33
Гендерсон теңдеуінен (1) мынадай қорытынды жасауға болады:
диффузиялық потенциалдар айырымы катион мен анионнын козғал-
ғыштарының айырмасына және сол учаскедегі иондардын белсенді-
лігіне тәуелді екен. Егер катион мен анионның қозғалғыштығы тең
болса және қоспа заттың таралымы ыдыстың екі жағында тең болса,
онда диффузиялық потенциал нөлге тең болады.
Биологиялық объектілерде алдымен диффузиялық потенциал пайда
болады. Олар әсіресе механикалық зақымдалған жасушаларда көп
болады. Мұндай жасушаларда диффузия кұбылысы зақымдалған
учаскеден зақымдалмаған учаскеге қарай өтеді.
Мембраиалық потеициалды диффузиялык потенциалдың бір түрі
деп қарастыруға болады. Диффузиялық потенциа^И^карастырғанда
ыдыстың ішіндегі бөлгіштен (17-сурет) катион да, анион да өтеді деп
қарастырсақ, енді сол бөлгіштен (18-сурет) тек қана катиондар ғана
өтеді деп қарастырайык. Ондай мембрананың сол жағында теріс ион-
дар саны көп болады. Сондықтан оларды катион алмастырғыш мемб-
рана дейді. Тәжірибенің шарты бойынша ыдыстың оң жағына тек
сутегінің иондары өтеді де, хлор иондары ыдыстың сол жағында қала-
ды. Сутегі иондарының диффузиясы шексіз болмайды. Себебі олар
хлор иондарымен өзара тартылыста болады. Диффузия күші мен электр
өрісінің күші теңескенде мембранада қос электрлік қабат пайда бо-
лып, иондар диффузиясы тоқтайды. Егер о = 0 болса, онда 1-тендеу
Нернст теңдеуіне айналады, яғни
КТ і
Д<р = —-1п—. (2)
пҒ а2
Бұдан мынадай қорытынды жасауға болады: мембраналық потен-
циал температураға және диффузияға катынасатын иондар таралымы-
ның өзгерісіне тәуелді екен.
(2) тендеудегі К. және Ғ тұрақты коэффициенттер екенін ескеріп,
сол теңдеуді натурал логарифм түрінен ондық логарифм түрінде ауда-
рып былай жазуға болады:
Д<р = 58 — -1§—мВ. (3)
п аг
Осы теңдеуді мембраналық потенциалдарды іс жүзінде аиыктауға
қолдануға болады.
Тыныштық потенциалы және әрекет потенциалдары пайда болу
табиғатына сәйкес мембраналық потенциалдар тобына жатады.
34
Фазалық потеициалдар да диффузиялық потенциалдармен тығыз
байланысты. Фазалык потенциалдар бір-бірімен араласпайтын, ка-
тиондар мен аниондардыңсусызортада ерігіштігі әртүрлі екі фаза (мы-
салы,орта электролиттін, судагы ертіндісі болса немесе майлы орта
болса) арасында болады. Егер катиондар сусыз ортада аниондарға кара-
ғанда жақсы еритін болса, онда олар екінші ортаға өтеді де, онда оң
заряд жинақталады. Бірінші ортада теріс зарядтар саны көп болып, екі
ортаның арасында гіотенциалдар айырымы пайда болады.
§ 8. ТЫНЫШТЫҚ ПОТЕНЦИАЛДАРЫ
Тыныштық потенциалы деп қозбаған күйдегі мембрананың ішкі
және сыртқы беттеріндегі стационарлық электр потенциалдарының
айырмасын айтады. Тыныштық потенциалы мембрананың ішкі және
сыртқы кабаттарындағы иондар таралымының өзгерісіне және ион-
дардың мембранадағы диффузиясына тәуелді.
Егер жасуша ішіндегі иондар таралымы (Сіш), оның сыртындағы
иондар таралымына (Сс) тең болмаса және жасуша сол иондарды
өткізетін болса, онда жасушаның электрлік бейтарап күйі бұзылып,
оның ішкі және сыртқы беттерінде потенциалдар айырымы пайда
болады.
<Р„ = Ф™ - чт 0)
Мембрананың бірнеше иондарды өткізгіштік қасиетін ескере келіп
Ходжкин мен Кау тыныштық потенциалы тепе-тендікті потенциал
емес, ол — стационарлық потенциал екенін дәлелдеді. Мембрана ар-
қылы бірнеше иондар, яғни К+, ^а+ және СГ иондары өтсе, ол иондар-
дың жалпы ағыны қозғалыстағы иондар ағынының қосындысына тең
болады. Сондыктан
Ф = Фк+ + Ф№.-Фс,.. (2)
— ФС1 — хлор ионының теріс зарядты екенін көрсетеді.
Мембрана арқылы өтетін иондардын жалпы ағынының қосындысы
Ф = Фк+ + Ф№+ - ФС). = 0. (3)
Ол үшін жүйе тепе-теңдік күйге келуі шарт емес. Себебі иондар
ағынының жалпы косындысы нөлге тең болғанмен, олардың өркай-
сысының козғалысы нөлге тең болмайды. Дегенмен, шартты түрде,
хлор иондарының козғалысы нөлге тең деп карастырайык.
35
Сонда
немесе
Фс,- = 0
фк+ + ф№+ = 0
фк+ = - ф№+ •
(4)
К+ және Ка+ағыны олардың мембранадағы таралымының өзгерісіне
және мембраналық потенциалға тәуелді болады, яғни
< пҒ<Р
Мұндағы у/ =---- К+мен Ыа+үшін п = 1 иондарын өткізгіштік
Н.Т
коэффициенті; [ К+].ш, [^а+ ] — иондардын мембрананың ішіне қарай
өтуі және [ К+]с, [№+ ] — сыртқа қарай өтуі.
(5) және (6) тендеулердің мәнін (4) теңдеуге қойып және матема-
тикалық түрлендіру жасап былай жазамыз.
Р,[кЛт+Р,,[^].<„
Рк[«Ч +Рх.,[КаЛ<- '
Осыдан логарифм ережесін колданып хр-ді тауып, одаң кейін мем-
браналық потенциалды аныктаймыз
ер (8)
Ғ Рк[К/с + РкЛК/].
ЕндІ СГ-иондарының да мембранаға қозғалғыштығын ескеріп (8)
теңдеуді былай жазамыз:
= РТ 1п +
Ғ Рк[КЛс+Рк..[^\-Р<,[С1-]с '
Осы тендеуді тыныштық потенциалы үшін Гольдман теңдеуі дейді.
Тыныштык күйдегі мембрананың К+ иондарын өткізгіштік қасиеті №+
36
иондарын өткізгіштік касиетінен аса үлкен және СГ иондарынын
өткізгіштік касиетінен де үлкен,яғни РК»Р№, Рқ^Рсг
Олай болса (9) теңдеудің алымы мен бөлімІ жуық шамамен өзара
тен. болады. Сондыктан Гольдман тендеуі Нернст тендеуіне айналады:
(рм ----1п-----
ғ [П
(Ю)
Бұдан Нернст теңдеуі Голдьман тендеуінің біртүрі екені көрінеді.
Бұл тендеу мембрана арқылы иондардың белсенді тасымалдануын және
жасушалардағы иондық тепе-теңдікті сақтауға бағытталған электро-
гендік иондык насостын әсерін ескермейді.
Жасушалар мембранасының жарақаттануы (зақымдануы) олардың
иондарды өткізгіштік қасиетін арттырады. Соның нәтижесінде мемб-
раналық потенциалдардың абсолют мәні азаяды. Аса қатты жарақат-
танған жасушалар үшін мембраналык потенциал өте аз болады. Бірақ
жасушалардағы теріс зарядты ақуыздардың, нуклеин қышкылының
және жасушадан өте алмайтын баскадай ірі молекулалардың әсерінен
мембраналықтеріс потенциалдар сакталады.
§ 9. ӘРЕКЕТ ПОТЕНЦИАЛЫ
Электрлік жүйке импульстерінің әсерінен (әрекет потенциалы) тірі
ағзада рецептордан мидың нейрондарына және ми нейрондарынан
бұлшық еттерге ақпарат беріледі. Тірі ағза толык электрленген жүйе.
Әрекет потенциалы деп мембрананың иондарды өткізгіштік қа-
сиетіне байланысты пайда болып, жүйке мен бұлшық еттерде толқын
тәріздёс таралған электр сигналдарын айтады.
Әрекет потенциалдарды зерттеуде кальмардың аксонына кіргізілген
екі микроэлектрод қолданылған (19-сурет). Бірінші микроэлектродқа
(Э ) генератордан (Г) алынған мембрананың потенциалын әзгертетін
тікбұрышты электримпульсыберіледі. Мембраналықпотенциал екінші
(Э2) микроэлектродпен өлшенеді. Қоздырғыш импульс өте тез өтетін
әрекет потенциалдарын тудырады да, одан кейін тыныштык потен-
циалы калпына келеді. Егер қоздырғыш сигнал теріс бағытта өзгере
берсе онда мембранада өте күшті поляризация пайда болады. Егер коз-
дырғыш сигнал оң болса, онда әсерлік потенциалы пайда болмайды да
оның амплитудасы сезгіштік шегінен (Үш)төмен болады. Бірак депо-
ляризациялайтын оңимпульстыңамплитудасы шекті импульстың(V )
37
амплитудасынан үлкен болады. Соның нәтижесінде әрекет потенциа-
лы шекті потенциалдан (срш) үлкен болып мембранада потенциал
(фә) кенет артады, тіпті ол өзініңтаңбасын өзгертеді - оңтаңбағаайна-
лады (19, 6-сурет).
Әрекет потенциалы белгілі біроң (<рд) мәніне жеткеннен кейін мем-
брана потенциалы тыныштык потенциалына (ф) қайта оралады. Осы
күбылыс өшетін тербеліске ұксас болады. Жүйке талшыктарында каңқа
бұлшык еттерінде әрекет потенциал мөлшері 1 мс, ал жүрек бұлшық
еттерінде 300 мс уақыт болады, осы уақыт ішінде мембрана козбайды.
Әрекет потенциалдын пайда болуы мембрананың натрий иондары-
ның өткізгіштік қасиетінің артуына және сол иондар таралымының
өзгерісіне байланысты. Диффузияның жасушаның ішіне карай өтуі
мембраналық потенциалды өзгертеді (азайтады). Мембрана потенциа-
лыныңазаюы шекті мәніне жеткенде мембрананың натрий иондарын
өткізу қабілеті мен мембрана потенциалының арасында қайтымды оң
байланыс пайда болады. Мембрана потенциалынын азаюы оны туды-
ратын себептерге тәуелді емес. Мембрана потенциалының шекті мәніне
дейін азаюы оның натрий иондарын өткізгіштік қасиетін арттырады.
Соныңнәтижесінде цитоплазмаға ңатрийдің диффузиясы артып, мем-
брананың деполяризациясын күшейтеді.
Натрий иондарынын жасушаға өтуі натрий таралымының өзгерісін
теңестіреді де, мембрананың іші оң зарядталғаннан кейін тоқтайды.
Тыныштык күйінде кальмар аксонының мембранасының өткізгіштік
коэффициентерінің қатынасы әр иондар тобы үшін мынандай:
38
Рк: Рш : РСІ = 1 : 0.04 : 0.35,
ал козған күйде
рк: риа ‘ рс1 = 1 : 20 : 0.35.
Егер мембрананын тыныштык күйі мен қозған күйіндегі иондар
өткізгіштігін салыстырсақ, калий мен хлордын иондарын өткізгіштік
касиеті өзгермейтіндігін, ал натрий иондарын өткізу қабілеті 500 есеге
артқаның көруге болады.
Мембрананыңқозуын Ходжкин-Хаксли формуласымен сипаттайды:
Мұндағы 1и — мембранадан өткен ток; С — мембрананың электрсый-
ымдылығы; — мембрана аркылы өткен иондар ағынының
с1(рХ! с
косындысы; — әрекет потенциалының өзгеру жыддамдығы. Егер
СІ1
= 0 деп есептесек, онда
I = С (2)
с м аі '
I — сыйымдылық тогы, мембрананың Ішкі және сыртқы кабаттары
конденсатордың астарларының ролін атқарады. Сонымен мембрана
аркылы өтетін ток
I = I + I + Е + I . (3)
м с к Ка өт 4 '
Мұндағы Ік — калий иондарының; - натрий иондарының әсерінен
пайда болған ток; Іөт - - өткізгіштік тогы.
20-суретте козған мембрана элементінің эквиваленттік электрлік
схемасы көрсетілген.
Әрбір иондар тобының ағыны әсерінен пайда болған ток 1 ол мем-
браналык потенециал (<рм) мен иондар диффузиясының әсерінен пай-
да болған Нернстің тепе-теңдік потенциалдарының айырмасына (<р.)
тең болады, яғни
Г = (Фм ~ <Рі). (4)
мұндағы қ=1/К электрөтімділік. Эквиваленттік электрлік схемада
Нернстің тепе-теңдік потенциалдары ср (р№, <ратдеп белгіленген. Осы
белгілерді ескере отырып (3) тендеуді былай жазуға болады:
39
Сырткы орта
1 „ = С„ + ёк (Фм ~<Рк) + ёКі1 (Фм - <РК11) + - <р„) (5)
аі
Ходжкин-Хаксли теориясы бойынша мембрана элементтерінін
қозуы мембрананың Г\'а' және К+ иондарын өткізгіштігіне (£ және
§к) тәуелді болады.
§ 10. МЕМБРАНА ПОТЕНЦИАЛЫН БЕЛПЛЕУ
Жүйке импульсын тудыратын иондық токтардың ролін дәлелдеу
үшін Ходжин мен Хаксли мембраналық потенциалды белгілейтін
тәжірибе жүргізген.
Қозған мембрана арқылы өтетін токтарды зерттегенде мембрана-
ның кернеуін түрақты (фм) ұстагқ сыйымдылық тогын (I) нөлге ай-
налдырса, онда N3 және К иондарынын өтімділігін тұрақты шамаға
айналдыруға болады.
Мембрананың ішкі және сыртқы қабаттарындағы потенциалдар
айырымын тұрақты етіп ұстау үшін арнайы электрондык схема (21-су-
рет) қолданылады. Бұл схеманың негізгі ОК-операциялық күшейткіш.
Операциялық күшейткіштің кірісіне екі микроэлектрод қойылған.
Оның бірі — кальмар асконының ішіне (1) қойылған, екіншісі мемб-
рана потенциалын кальмар потенциалымен (2) салыстыруға арналған.
Трансмембраналық потенциалдыңөзгеруін жоятын кернеу опера-
циялық күшейткіштің шығысына қосылады. Ол кернеу аксонды бой-
40
лай қойылған күміс өткізгіш (3) арқылы беріледі. Электрондық схема
операциялықкүшейткіштің кірісі мен шығысындағы (аксонның ішін-
дегі) кернеуді түрақты етіп ұстайды ((рм = сопзі). Тұрақты ток генера-
торының (4) көмегімен операциялық күшейткіштің кірісіндегі кернеуді
сатылап көтеруге болады. Амперметрмен (5) мембрана арқылы өткен
токтың шамасын анықтайды. Осы тәжірибемен мембрана потенциа-
лына (<р ) әртүрлІ мән бере отырып қозған мембранадағы токтын
өзгерісін анықтауға болады.
§ 11. ЖҮЙКЕ ТАЛШЫҚТАРЫНЫҢ БОЙЫМЕН
ӘРЕКЕТ ПОТЕНЦИАЛДАРДЫҢ ТАРАЛУЫ
Жүйке жасушасынын бір учаскесінде пайда болған әрекет потен-
циалы сол жүйке бойымен таралады. Әрекет потенпиалдардың пайда
болуы жасушаның қозған және қозбаған бөліктерінің (учаскелерінің)
арасында өзгеріп тұратын әсерлік токқа тәуелді болады. Тыныштық
күйде мембранажасушасынынсыртқы бетінің потенциалы оң, ал ішкі
бетінің потенциалы теріс (22-сурет) болады. Жасушалар қозған кезде
мембрананың полярлығы өзгереді: сыртқы беті теріс таңбамен, ішкі
беті оңтаңбамен зарядталады. Соның нәтижесінде мембрананың қоз-
ған (Қ) және қозбаған (Б) бөліктерінің арасында потенциалдар айы-
рымы пайда болады.Потенциалдар айырымы осы бөліктердің арасын-
да электр тогын тудырады. Ол токты әрекет тогы дейді. Жасушанын
41
Қ
Б
22-сурет
сырткы бетінде әсерлік ток козбаған бөлігінен козған бөлігіне карай,
ал ішкі бетінде оған кері карай өтеді. Әрекет тогы,^Яй£келген электр
тогы сияқты, көршілес жаткан козбаған учаскелерді коздырады да,
мембрананың өткізгіштік касистін арттырады. Сөйтіп әрекет потен-
циалы пайда болады да, натрий каналы ашылады. Потенциалдынөзгерісі
мембранадан өткен натрий иондарының ағынына байланысты болады.
Сөйтіп мембранада деполяризация құбылысы туады. Әрекет потенци-
алы біртіндеп мембрананын козбаған учаскелеріне карай тарайды.
Мембрананың деполяризациялануы шекті мәніне жеткенде, онда
әрекет потенциалдары пайда болады. Осыған дейінгі козған бөліктер
өзінің бастапқы күйіне оралады, яғни мембранадан реполяризация
құбылысы өтеді. Осы процесс бірнеше рет қайталанатын жасушаның
бойымен қозу импульсы таралады. Ол импульстар өшетін электр
тербелісіне ұксас таралады. Жүйке жүйесінде импульстардың бір ба-
гытта ғана өтуі синапстар қасиетіне байланысты. Синапстар импульс-
тарды бірбағытта ғана, қозған нүктеден қозбаған нүктеге қарай өткізеді.
Басқа бағытта жүйке импульсы тарала алмайды.
Мембраналық потенциалдардың артуын оның деполяризациялық
шамасы (V) дейді. Оны мына формуламен анықтауға болады:
Г(х) = Сое< (1)
Мұндағы Ң - зонасындағы мембрана потенциалыньщ артуы; х — әсер
ету нүктесі мен қозған нүктенің арақашықтығы; X — жүйке талшығы-
ның ұзындығы, ол тұрақты шама мынаған тең:
Яс-<5-г
Л — /-------
V 2Я,
(2)
42
Мұндағы Кс — жүйке талшығынын сырткы бетінің меншікті кедергісі;
5 — сырткы бетінін калындығы; г — жүйке талшығының радиусы;
К.ш — иитоплазманың меншікті кедергісі. Бұдан жұйке талшығының
ұзындығының тұрактысы неғұрлым ұлкен болса (1 және 2 формула-
дан) соғұрлым жұйке импульсынын таралу жылдамдығы да ұлкен
болатынын көруге болады. Аксоннын радиусы (г ), кабырғасының
калыңдығы (5) және мембрананын меншікті кедергісі (р) неғұрлым
көп болса, жүйке талшыктарының тұрактысы да үлкен болады. Цито-
плазманыңкедергісі (7? ) арткан сайын жүйкеталшыктарыныңтұрак'
тысы кішірейеді.
Омыртқалы жануарларда жүйке талшыктарының козу процесінің
таралу жылдамдығы аксонның миелинді кабатына байланысты болады.
Себебі миелинді кабат мембрананың кедергісін және калындығын
арттырады.
23-сурет
Миелиндік қабаты жоқ Ранвье учаскелерінде импульс сатылап та-
ралады (23-сурет). Жүйке импульстерініңаксонныңбойымен таралуы
электр сигналдарыныңөткізгіштін. бойымен таралуына ұқсас болады.
Электр импульстары өткізгіштің бойымен (таралу жолындағы стан-
циялардың көмегімен) өцшейтін тербеліске ұқсас таралады. Осыған
ұқсас әсерлік потенциал пайда болған мембрананың қозған учаскелері
аксондарда станциялардың рөлін атқарады.
§ 12. ЖАСУШАЛЫҚ МЕМБРАНАНЫҢ ИОНДЫҚ АРНАСЫ
Ходжкин-Хакслидің теориялық моделі бойынша мембрана арқылы
иондарды тасымалдауды реттеуге болады. Бірақ липидтердің қос қаба-
тына иондардыңөтуі қиын. Егер иондартек қанамембрананыңлипидтік
фазасы арқылы ғана өтетін болса, онда олардын ағыны өте аз болар еді.
43
Шынында, диэлектриктік тұрақтысы е ~ 80 ерітіндіден ~ 1 моль
ион мембранаға өту үшін олар Д\¥ потенциалдықбөгеттен өтуі керек.
Ол бөгеттің мәні Бор теориясы бойынша мынаған тен:
А„, (г-е)2Л'Д 1 1 )
ДІҒ =------і-------------. (3)
Мүндағы е - электронның заряды; г - ионнын. радиусы; 2- электро-
лит ионының заряды; N — бір қабаттан екінші қабатқа өткен молекула-
лар саны. \!а’ мен КДиондары үшін бөгеттін мәні мынаған тең болады:
V/ - 350 -е- 400 кДж/моль. 4
Температурасы 300°К жылулык тербелістің Энергиясы небәрі
К.Т » 2,4 кДж/моль екен. Осы екі мәнді салыстыра келіп мемб-
ранадағы иондарға карсы әсер ететін потенциалдык бөгеттің биіктігі
жылулык тербелістің потенциалдык бөгетінен 130-160 есеге үлкен
екендігін көреміз.
Иондардың ерітіндіден липидтік фазаға өту ықтималдығы
_ЛІГ
Р^етт. (4)
Осының сан мәнін табайык
4' мі
п -160 / с \
Р - е е (5)
Олай болса диффузия аркылы липидтердің кос кабатынан ион-
дардын тікелей тасымалдану ыктималдылығы өте аз. Осыдан келіп
мембранада иондарды тасымалдауға катынасатын тағы да бір орта бо-
луы мүмкін деген кағида туындайды. Ол орта — иондык арна екен.
Иондык арналар мынандай объектілерден бөлініп алынады: жасуша-
лардың плазматикалық мембранасынан, синапстан кейінгі бұлшык ет
жасушаларынан және т.б. Сонымен қатар антибиотиктердің әсерінен
пайда болатын иондыкарналар бар. Олардыңмынандай касиеттері бар:
а) іріктеушілік (селективтік);
б) әр арна жүмысының тәуелсіздігі;
с) иондардың өткізгіштік сипатының дискреттілігі;
д) арналар параметрлерінің мембрана потенциалына тәуелділігі.
Енді осы иондык арналарды жеке-жеке қарастырайық.
1. Іріктеушілік (селективтілігі) деп иоңдық арна арқылы бір типті ион-
дардың өтуін айтады. Мысалы Ьі+, ', К+, КЬ+ және Сз+ үшін малюскалар
аксондарыныңарналарыныңөткізгіштігі мынандай нәтиже көрсеткен:
44
Р,,: І\. Рк : Ркь : Р,. I Ю : ЮО : X • 2,5 : 1,7.
Сонымен катар К/ иондары үшін арналардың өткізгіштігі мынандай:
Р, :Рч.,:Р,.:Рк„:Р, , 1« 1:100:91:8.
Бұдан, бірінші мысалда Ьі+мен №+ иондарыныңөтімділігі жақсы бол-
са, екіншісі мысалда К+иондарының өтімділігі басым екенін көреміз.
Осыдан иондыкарналар бір типті иондарды нашарөткізетіні корінеді.
Олай болса иондықарналардыніріктеушілік (селективтік) қасиеті бар.
Каналдардың іріктеушілік қасиеті олардың қүрылысына байла-
нысты. Натрий арналары акуыздан құралуы мүмкін. Олай болса уль-
тракүлгін сәуленің әсерінен натрий арналары белсенді күнге өтеді.
Сонын нәтижесінде сол арнадан Ыа+иондары көп өтеді.
2. Әр арна жұмысының тәуелсіздігі. Иондардын бір арна арқылы
өтуі баска арналар аркылы өткен иондарға тәуелді емес. Мысалы К+
арнасы ашык немесе жабық болуы мүмкін, бірақ сол сәтте Ыа+ арнасы
арқылы иондарағыны өзгермейді. Арналардыңбір-біріпетікелей әсері
болмағанымен, олардың жанама әсері болуы мүмкін. Мәселен, арна-
ныңөткізгіштік қасиетініңөзгеруі мембраналықпотенциалды өзгертеді.
Мембраналық потенциалдың өзгерісі басқа иондық каналдарға әсер
етуі мүмкін.
3. Иондық каналдың өткізгіштігінің дискреттілігі; иондық канал-
дар — мембрана арқылы өтетін ақуыздардың біртұтас кешені (ком-
плексІ). Оның ортасында иондар өте алатын түтікше бар. Ондай ион-
дықарналардыңсаны өте көп.Мысалы кальмар аксонында 1 мкм2аудан-
ға келетін 500 натрий арнасы бар екені тәжірибе жұзінде анықталған.
Мысады, ұзындығы 1 см, диаметрі Імм, ауданы 3-107 мкм2 кальмар
аксонында 109—10|0иондықарналарбар екені дәлелденді, Солайболса
да жеке иондық арналар №+, Кд және Са+ үшін дискретті болады.
Дегенмен, әр иондық арнадан өтетін ток кенет өзгеретін болғаны-
мен трансмембраналык ток уакыт бірлігінде біртіндеп өзгереді. Осы
құбылысты былай түсіндіруге болады.
Жекеленген N иондық арналар арқылы өтетін (1) токтың қосын-
дысы мынаған тең:
• (6)
Мұндағы — л-ші арнадан өтетін ток.
45
Қосынды токтың орта мәні жеке арналардан өтетін токтың орта
мөнінетәуелді: _
- I = N1. (7)
Жеке каналдағы токтың өзгеруі
Қосынды токтын N тәуелсіз арналардағы салыстырмалы өзгерісін
Ы-рет аныкталған ток өзгерісінің орта мәні деп қарастыруға болады:
। і - _ _{9)
Бұдан мынандай қорытынды жасауға болады: N — неғұрлым үлкен
болса, салыстырмалы өзгеріс аз болады. Кальмар аксонының ^=1010
иондық арнасындағы токтың өзгерісі мембрана арқылы әтетін токтың
небәрі 0,001% құрайды екен. Үсақ жасушалар үшін (^=103арна)
салыстырмалы өзгерістің мәні үлкен, ол мәлшері 3% дейін болады.
Жекеленген К+ арнасынанөтетінтоктыңамплитудасы 2пА-гедейін
(2' 1012 = А) болып, сол арнаның ашылуы I, - 5 мс болады. Бірақ осы
уакытішінде канал бірнешерет ашылып, бірнеше ретжабылуы мүмкін.
Кардиомиоциттіңжекеленген Са2+ арнасы үшінтоктың өзгеруі ^а+
және К+ салыстырғанда күрделі болады. Деполяризацияның 70%
өзгеруі кезінде Са2+каналы ~1 мс-та ашылып, 0,2 мс-та жабылады.
Одан кейін қайтадан ашылып амплитудасы 1-10'12 А токты өткізеді.
Са2+ тогының осындай белсенділігі мөлшері 150-200 мс ^қытқа со-
зылып, одан кейін тоқтайды. Са2+деполяризациясының 30%-на жуығы
жабық күйінде қалады.
4. Мембранапотенциалыныңарналар параметрлерінетәуелділігі.
Жүйке талшықтары мембрана потенциалын сезгіш келеді. Мемб-
ранада деполяризация басталғаннан кейін ондағы ток өзгере бастай-
ды. Иондық канал тұрғысынан қарағанда осы процесс былай өтеді:
іріктеуші-иондық (селективті-ион) арнада өзіне тән, құрылымы бәлек,
электртогын сезгіш (24-сурет) сенсоры болады. Мембрана потенциа-
лы әзгергенде оған әсер ететін күш те әзгереді. Соның нәтижесінде
иондық арна да ығысады да, қақпаның ашылу немесе жабылу ыкти-
малдылығын әзгертеді. Бұл тығын сияқты — ол иондардың бәрін өткізуі
мүмкін немесе бірін де әткізбеуі мүмкін.
46
сырты
іші
кдқпа
24-сурет
Иондық арналар баскадай физикалықфакторларды да сезгіш келеді.
Мысалы, механикалық деформацияға, химиялык реакцияларға және т.б.
Мембранадағы иондық арналарды зерттеу қазіргі биофизиканың
басты мәселесі.
Енді иондық арнаның құрылысын қарастырайық. Іріктеуіш-ион
арнасының құрылысы мынандай: ақуыздың қос қабатына батырыл-
ған өзіне ғана тән құрылысы бар бөлігі; теріс зарядты оттегі атомдары-
нан құралған іріктеуіш сүзгіш — ол сүзгіш диаметрі шектелген ион-
дарды ғана өткізеді; қақпа бөлігі (24-сурет).
Иондық арнаның қакпасын мембраналық потенциал баскарады.
Сондықтан ол қақпа жабық болуы да (суретте штрих сызык) немесе
ашық болуы да (тұтас сызық) мүмкін. Қалыпта жағдайда N3 арнасы
жабық болады.Электр өрісінің әсерінен қақпаның ашылу ықтимал-
дылығы артады да, іріктеуші сүзгіш арқылы гидратты иондардың өту
мүмкіншілігі пайда болады. Егер ионның диаметрі іріктеуші сүзгішке
сәйкес келсе, онда ол гидратты қабын тастап, иондық арнаның екінші
жағына әтеді. Егер ион әте үлкен болса, онда ол сүзгіш арқьілы өте
алмайды. Егер ион өте кіші болса, онда іріктеуші сүзгіште ион өзінің
гидратты кабын тастай алмайды.
47
Иондык арнаның блокаторлары сүзгіде тығындалып, одан өте ал-
мауы мүмкін, егер үлкен молекулалар болса, кез келген арнанын
кірісіне үмтылады. Блокатордың зарядтары оң болғандықтан олардың
зарядталған бөліктері іріктеуші сүзгінің арнасына қарапайым катион
сияқты кіреді, ал макромолекула ол арнаны жабады.
Сонымен биологиялық мембрананың электрлік қозу қасиетінін
өзгерісі иондық арнанын әсеріне тәуелді болады. Иондық арна -
липидтік қоскабаттан өткен, бірнеше дискреттік күйде бола алатын
ақуыз макромолекулалары. Іріктелген \а‘, К+, Са2+ иондары үшін
каналдардың қасиеттері мембраналық потенциалдың мәніне сөйкес
болады.
§ 13. КАРДИОМИОЦИТТЕ ӘРЕКЕТ ПОТЕНЦИАЛДЫҢ
ПАЙДА БОЛУЫ
Жүрек бұлшықет жасушаларының әрекет биопотенциалдарының
жүйке талшықтары және қаңқа жасушаларының әрекет биопотен-
циалдарымен салыстырғанда ерекше мәні бар. Оның ең бастысы —
қозу уақыты — деполяризация процесі.
Аксонның әрекет потенциалының үзақтығы 1 мс, қаңқа бұлшық
еттерінің әрекет потенциалы 2—3 мс, ал миокарда қарыншасы мен
жүректің жасушаларының қозған кездегі әрекет потенциалының ұзақ-
тығы 250—230 мс. Осы уақыт жүректің қозуына және жүрек бұлшық
еттерінің құрылымының жиырылуына, сөйтіп канды айдауға толык
жеткілікті. Кардиомиоцитте \а’ және К+ иондарынын таралуы қаңқа
бұлшық еттердегі таралуға жуық.
Бірақ кардиомиоцитте әрекет потенциалдың пайда болуы үшін Са2+
иондары басты роль атқарады.
Олардыңтаралымы жасушаның сыртқы мөлшері 2 ммоль/л, ал ішкі
бетінде небәрі 10'4 ммоль/л. Жүрек бұлшык еттері жиырылғанда жа-
сушанын ішіндегі Са2+-нінтаралымы 10 есеартады, бірақреполяриза-
ция кезінде ол иондар жасушадан шығып кетеді. Кардиомиоциттегі
иондык тепе-тендікті \а’. К+және Са2+насостары қамтамасыз етеді.
\а', Са2+ иондары жасушаның сыртына қарай, ал К+ иондары жасу-
шаныңішіне қарай қозғалады.
Осы насостардың жұмысын \а‘ К - АТФаза және Са2+-АТФаза
ферменттері қамтамасыз етеді.Мембрананың 1 мкм2 ауданына 1000-ға
жуық (немесе 1 см2 ауданда Ю11) \а‘, К+ насосы бар. Насостынырғағы
48
(циклы) мөлшермен секундына 20 рет. Олай болса 1 см2ауданнан се-
кундына насостың 2-1012 ырғағы өтеді екен. Әр ырғақта насос \а‘-дін
3 ионын тасымалдаса, онда 1 с ішінде 1 см2 аудан арқылы 6-Ю12 ион
тасымалданады.
Осы саңды Авогадро санына (6,02 102- моль1) бөлсек 10- ІО-12 моль/см2с
мөнін аламыз, яғни есеп бойынша 1 с ішінде 1 см2 ауданнан 10 пмоль
(10'10’12 моль) №+иондарытасымалданады екен. Бұл теориялықтұжы-
рым тәжірибе нәтижесіне өте жуық.
Тыныштық күйінде \а’ және Са2+ иондарының өтімділігі өте аз:
І\а/Рк ® 0,05; Р /Р -де аз, себебі жасуша сыртында Са2+ иондары
аз. Сондықтан тыныштық потенциалы негізінен жасуша мембранасы-
ныңішкі және сыртқы қабаттағы К+ иондарыныңтаралымыныңайыр-
масымен анықталады.
Миокарда жасушасының әрекет потенциалының үш фазасы бар:
І-фаза — деполяризация, П-фаза — плато және Ш-фаза — реполяриза-
ция (25-сурет).
1-фаза - деполяризацияда мембранада натрий иондарының өтімділігі
кенет артады: мембрана потенциалының қозуының шекті мәнінен ас-
қанда Рк: РНа= 1:20 болады. Натрий арнасының белсенділік щегінің
мөлшері — бОмВ, ал өмір сүру уакыты - 1- 2 мс, ол 6 мс-ка жетуі де мүмкін.
ІІ-фаза — плато-мембрана потенциалы максимадды мәнінен (~+30 мВ)
біртіндеп нөлге дейін төмендейді. Бұл фазада екі типті арна бірдей іске
қосылады — олар баяу кальций және калий арнасы.
49
Кальций арнасының белсенді шегінің мөлшері 30 мВ, ал өмір сүру
уақыты 200 мс. Кальций арнасының ашылуы жасушаның ішіне карай
бағытталған деполяризациялайтын кальций ағынын тудырады:
Г. =80(^1/-РсО- (!)
§Са — мембрананың Са иондары үшін өтІмділігІ. Бұл ток Са2+ ион-
дарын электрохимиялық потенциалына сәйкес енжар тасымалдануына
байланысты болады.
Нернст тендеуі бойынша кальцийдің тепе-тендік потенциалы мы-
наған тең:
КТ, 10"7
=------1п--------
2Ғ 2*10“
(2)
Кальций тогының өсуімен катар калий иондарының да өтімділігі
(ёк) өсе бастайды. Ол мембранадан шықкан калий тогын туғызып,
мембрананы реполяризациялайды. ІІ-фазада кальцийдіңөтімділігі (Дса)
азайып, калийдің өтімділігі (Д ) өседі.
Бір бағытта өсе бастаған екі ток біртіндеп тенесе бастайды, ал мем-
брана потенциалы (ср ) нөлге жуық шамаға төмендейді (26-сурет).
1І-фаза үшін мембранадағы токтың косындысы нөлге үмтылады, яғни
(3)
Кардиомиоцитте әрекет потенциалы пайда болу кезіндегі натрий,
калий және кальций иондарының өтулерінің өзгерісі 26-суретте көр-
сетілген.
ІП-фаза-поляризация — бүл фазада кальций каналдары жабылып,
К+-дың мембрананың сыртына шығуы өсіп, §к-дың мөні артады.
Ходжкин-Хаксли (5) теңдеуін түрлендіріп козған кардиомиоцит
үшін мембраналық тоқтың тендеуін былай жазамыз:
аі
(4)
Бүл теңдеудің екінші жөне үшінші қосылғыштарды тез өзгеретін
1Ча-ді және бояу өзгеретін Са деполяризациялайтын токтар.
Алтөртінші қосылғышы - мембранадан шығатын реполяризация-
лайтын К+ тоғы. Ходжкин — Хаксли теориясында және
иондарының өтімділігі потенпиалға тәуелді шамалар. Яғни
50
(5)
Кальций арнасы үшін, өтімділікті д және Г параметрлері аркылы
сипаттауға болады; §са = ё^-д-Г Са, мұндағы сі - белсенділік параметрі;
Г - ішкі белсенділік параметрі. Кардиомиоциттің қозу процесін түрліше
тәсілдермен анықтауға болады.
Солардың ішінде кен тараған тәсілдер — олар кальций иондарьі'
ның тежеушілері (блокираторы) және люминесценттік анализ.
Бірінші төсіл — тежеуіштер тәсілі.Миоцитте кальций иондарын
тежеуіштер бар: ол препараттар Д-600, верапамил, Ьа3+, Мп2+ металда-
рьіның катиондары және т.б. Осы заттар кальцийдің жасушасының
ішіне қарай өтуін тоқтатады да, әрекет потенциалының шамасын және
пішінін әзгертеді.
Екінші тәсіл — люминесценттік анализ. Люминесценттік жарқыл
шығаратын теңіз жануарынан (медуза) алынатын экворин ақуызын
51
қолданып кальций иондарыньің тасымалдануын тәжірибе жүзінде
анықтауға болады. Осы экворин акуызынын иондары Са3+ иондарына
үқсас болып, жарқыл шығарады. Жүрек бұлшық етіне экворин ар-
найы оптикалық аспаптың көмегімен кіргізіледі. Сол кұралды қолда-
нып жарқыл шығарудың жиілігін және интенсивтілігін анықтауға
болады. Алынған нәтижелерді қолданып кальпий иондарынын тасы-
малдануын және жүрек бұлшык еттерінде пайда болған әрекет потен-
циалдарының шамасын және пішінін анықтауға болады.
§ 14. ТІНДЕР МЕН АҒЗАЛАР
ЭЛЕКТРОГРАФИЯСЫНЫҢ БИОФИЗИКАЛЫҚ НЕПЗДЕРІ
Жасушалық деңгейден ағза деңгейіне өткенде және жасушалар-
дың біртіндеп қозу нәтижесінде сол ағзаның сыртқы бетінде электр
потенпиалдарыньін таралуы өзгереді. Сонымен қатар ағзанын күйі,
яғни, оның электрлік белсенділігі уақыт бірлігінде өзгереді. Ол қозу
пропесі жүйке және бұлшык ет талшықтарының бойымен таралады.
Биопотенциалдардың қозу жәнетаралу процесін ағзанынтікелей сырт-
кы бетінде де немесе сол ағзаның ішкі құрлысында да анықтауға бола-
ды. Бірақ клиникада бұл әдісті қолданудынерекше қиыншылығы бар.
Сондықтан ағзаның функционалдык күйін оның электрлік бел-
сенділігін сипаттау үшін эквиваленттік электрлік генератор принпипі
қолданылады. Эквиваленттік электрлік генератордың мағынасы мы-
нада: көптеген жасушалардан тұратын ағза уакытқа байланысты біртін-
деп қозады, яғни электр потенциалдарын тудырады. Эквиваленттік
генератор ағзаның ішінде орналаскан деп санасак, онда ол айзаның сырт-
қы бетінде электр өрісін ағзаның электрлік белсенділігінің өзгерісіне
сөйкес келеді. Эквиваленттік деген ұғым — ол адам ағзасында пайда
болған биопотенциалдар электр тогының генераторында пайда болған
потенциалдар айырмасына ұқсас келеді деген ұғым. Генератор — коры-
тып шығару деген ұғым. Олай болса, адам ағзасын электр генераторы-
на ұқсас деп қарастыру керек. Эквиваленттік электр генераторының
ішкі кедергісі К. аса үлкен.
Ол сырткы кедергіден Яо бірнеше есе көп болады. Ом заңы бо-
йынша
52
27-сурет
/және /0 — генератор мен сырткы ортадағы токтың косындысы; е —
генератордын. электр қозушы күші. Жоғарыда айтылғандай А »
Олай болса /?0-ді ескермей, Ом заңын былай жазамыз:
Бүдан генератордың ішіндегі ток пен сыртқы ортадағы токтың
косындысы сыртқы ортанын кедергісіне тәуелді емес екендігі көрінеді.
Ток генераторлары үшін суперпозиция ережесі қолданылады. Супер-
позиция ережесі бойынша бірнеше зарядтардын электр өрісінің
кернеулігі жеке зарядтардың кернеуліктерінің косындысына тең
және с.с. бірнеше зарядтардың потенциалы жеке зарядтардың потен-
циалдарының қосындысына тең болады.
Осы өрістің потенциалын және өріс кернеулігін анықтау үшін
эквиваленттілік электр генераторын, шартты түрде, электрлік дипольді
қарастырады.
Электрлік диполь деп шамалары тең, таңбалары қарама-қарсы
(ц = -ц ) екі нүктелік зарядтардан тұратын электр жүйесін айтады
(28-сурет). Дипольдің басты сипаты — оның электрлік моменті:
Р-дІ .
Мұндағы / - екі нүктелік зарядтардың арақашықтығы немесе оны
дипольдің иіні дейді. Ол теріс зарядтан оң зарядка қарай бағытталған
векторлық шама. Дипольдің электрлік моменті де Р, векторлық шама,
оның бағыты дипольдің иінімен бағыттас болады.
53
28-сурет
Дипольдер размерлеріне карай нүктелік жөне шектелген болып
екіге бөлінеді. Егер дипольдің иіні өте қыска болса (Д/ —>0), онда
ондай дипольді нүктелік деп, ал егер диполь қоршаған ортадан изоля-
тормен шектелген болса, ондай дипольді шектелген диполь дейді.
Адам ағзасы ток өткізетін орта - шектелген орта болады. Себебі
дененің сырткы беті изолятормен қоршалған.
Электрлік дипольдің әсерінен пайда болған электр өрісін қарас-
тырайык бір-бірінен I арақашыктыкта орналассын (28-сурет).
Кеңістіқтің кез келген А нүктесіндегі осы өрістін потенциалы мең
кернеулігін анықгайық. А нүктесі дипольден г аракашықтықта орна-
лассын және I« гболсын. А нүктесі +ц|-зарядынан г арақашықтық-
та, зарядынан г, арақашықтықта орналассын. Кеңістіктің А нүкте-
сіндегі өріс потенциалын анықтау үшін алдымен жеке зарядтың
потенциалын жазайық:
54
4л£0 г
Электрлік диполь нүктелік екі зарядтан түратын болғандықтан
суперпозиция ережесі бойынша былай жазамыз:
Я Я
(р^(р{ + р2 = ---------------
4п£0Г\ 4Л£оГ2
1 Г1 п
~л--д------
4^о и г2)
Я р2~Г!
4^о I бГ2
• (8)
Дипольден қашықтықта жатқан А нүктесі үшін г, және г2радиус-
векторлардың орнына дипольдің центрінен басталатын г — радиус-
векторын қарастырайық. Ол дипольдің электрлік моментімен Ө —
бұрыш жасасын. Суреттен //г « 1, г* — г2« /созӨ, г «г2« г, олай болса
(8) тендеуді былай жазуға болады:
1 Я1 п
(р =-----—7С08У
4тГ£0 г~
Мұндағы ц/ = Рекенін ескеріп былай жазамыз
(р = —!--^-СО8(?. (9)
4ле0 г
Осыдан мынандай қорытынды жасаймыз: электр диполінің потен-
циалы радиус-вектордың квадратына кері пропорционал, яғни тез азая-
ды. Дипольдің өрісІ симметриялы емес, сондықтан оның потенциалы
г радиус-векторға ғана емес, сол сияқты Ө - бүрышына да тәуелді.
Жеқеленген электр зарядының кернеулігі мынаған тен:
Ё = ——(10)
4я£о Г"
Электрлік дипольдің потенциалы сияқты кернеулікке де суперпо-
зиция ережесін қолдануға болады, яғни
Ё = Ё}+Ёі- (11)
Кеңістікте А нүктесі дипольдан кашыктыкта болғандықтан //г « 1,
Е} және Ёу векторлары бір-біріне карама-кдрсы болғандықган, г^ және
радиус-векторларының арасындағы бұрыш Ө«0 - десе де болады.
Соңдықтан дипольдің электр өрісінің кернеулігін анықтау үшін
55
Е(—Е2 модульдері бойыншатең деп қарастырамыз, бІрақоларбір-біріне
қатантүрде қарама-қарсы бағытталмаған. Олай болса
ғ Г ғ 1 С1
Е — Еу + Е~> — —-— ——
(12)
//г « 1, » г2 == г және г2 — г( — / созӨ екенін ескеріп (12) тендікті
былай жазамыз
- 1 ,2>'СО8 0
Е, =~.-----------4-----
г
немесе
1 2РсозӨ
г'
Бұл формуламен дипольдің электр өрісінің күш сызықтарынын
бағытын анықтауға болады. Дипольдің электрлік осінің (Р) бойында
Е = О, яғни дипольдің электрлік осі (Р) өріс кернеулігімен (Е) бір
бағытта таралады.
§ 14.1. Электрокардиографияның физикалық негізі
Биопотенциалдар ағзалар мен ұлпалардың функционалдық күйін
өте жаксы көрсететін болғандықтан, оларды тіркеудің және талдау
жүргізудің физиологиялык зерттеулерде және диагностикада маңызы
өте зор. Қазіргі уакытта биопотенциалдарды тіркеудін көптеген әдістері
қолданылады: жүрек биопотенциалдарын тіркеу — электрокардиогра-
фия (ЭКГ), мидың — электроэнцефалография (ЭЭФГ), бұлшық ет-
тердің — электромиография (ЭМГ), және т.б. Солардың ішінде аса
кең тарағаны — электрокардиография.
Электрокардиографияда тіркелетін потенциалдар айырымы жүрек-
тің жүйке-бұлшык ет аппаратының қозу нөтижесінде пайда болады.
Жүректің жүйке-бұлшык ет жүйесінің түрліше элементтерінде пайда
болған потенциалдар өзара қосыла келіп осы жүйенің қозған (теріс
потенциалдар) және козбаған (оң потенциалдар) бөлшектеріндегі
56
жалпы потенциалдар айырымы пайда болады. Жүректің жүйке-бұлщық
ет жүйесінің түрліше бөлімдерінде козу процесі, өзіне тән ерек-
шелікпен, біртіндеп тарайды. Сондықтан пайда болған потенциалдар
айырымы жүрек жұмысының пиклында шамасы жағынан да, нүкте-
лердің орналасуы бойынша да өзгереді. Электрокардиографияның
негізгі мақсаты — осы өзгерістерді тіркеу.
Электрокардиография әдісі Эйнтховентеориясына негізделген. Бұл
теорияда жүректі біртекті өткізгіштік ортада орналасқан электрлік
диполь деп қарастырамыз. Осы дипольдің электр өрісі адам денесінің
сырткы бетінде тіркеуге болатын потенциалдарды тудырады. Дипольдің
электрлік моментінің зекторы —жүрек биопотенциалдарының қо-
рыткы айырмасын сипаттайтын вектор болады. Ол вектор жүректің
интегралдық электрлік векторы (ИЭВ) деп аталады да, Е әрпімен
белгіленеді.
Кеңістіктің кез келген А және В нүктелеріндегі потенциалдар ай-
ырымы осы нүктелерге түсірілген дипольдің электрлік моментінің
векторының проекциясына пропорционал болады (29-сурет), яғни
(рА ~Фн - ^СОЗОГ .
Мұндағы к - пропорционалдық коэффициент; Р— дипольдың
электрлік моменті; а - А және В нүктелерін косатын түзудің диполь
осімен жасайтын бұрышы.
Осы қагиданы негізге ала отырып Эйнтховен адам денесінің үш
нүктесінде электродтар койып, жүректің биопотенциалдарының алу
29-сурет
57
тәсілін ұсынады. Сол үш нүктенін арасын қосқанда пайда болған
үшбұрыштың ортасы жүректің ИЭВ әсер ету нүктесімен сәйкес
келетіндей болу керек (29-сурет). Осы үшбұрыштың төбелерін коса-
тын түзудің бойымен бағытталған дипольдық электрлік момент пайда
болады. Жеке алғанда олар жүректің ИЭВ-мен сөйкес келеді, яғни
<Ра~<Рн = ; <РС ~<Р» = (рс ~(рА = ЕІИ .
Осы векторлардың проекциясынын жиынтығы ИЭВ-дын шама-
сын, бағытын және а-бұрышын анықтайды.
Қалыпты жағдайда жүректің ИЭВ-ы онын анатомиялық осімен
сәйкес келеді. Бірақ бір циклда ИЭВ өзінің бағытын да, шамасын да
өзгертеді. Бұл өзгерістер жүректің қозуын жүйелік еттің бо-
йымен біртіндеп таралуына байланысты болады.Сонда ИЭВ-дың бас-
тапқы нүктесі, яғни басы өзгермейді, тұрақты болады. Ал ұшы (неме-
се соңы) кеңістікте күрделі қисық сызады. Осы өзгерістерді бақылау
үшін электрокардиография әдісі қолданылады.
Жүректің биопотенциалдарын зерттеу үшін Эйнтховен үшбұрышы-
ның электрлік эквиваленттік А, В және С нүктелеріне электродтар
қойылады: суретте А-СҚ — сол қол, В-ОҚ — оң қол және С —СА сол
аяқ. Электродтар қойылатын екі нүкте біріге келіп стандаргты тармақ
құрайды: І-тармақ (СҚ - ОҚ), ІІ-тармақ (СА - ОҚ) және ПІ-тармақ
(СА - СҚ) (29-сурет).
Электродтар-электр тізбегінің екі нүктесін қосуға арналған, арнайы
пішінді өткізгіштер. Бұл арада электр импульсының көзі ретінде адам
денесін, ал электр импульсын қабылдаушы ретінде ЭКГ аппаратын
қарастырып отырамыз.
Электродты адам денесіне жапсырғанда тері мен электродтың
арасында өтпелі кедергі пайда болып, биопотенпиалдардың амплиту-
дасын азайтып, пішінін бұзады. Осы кедергіні электродтын ауданын
үлкейту арқылы азайтуға болады. Бірақ аудан неғұрлым үлкен болса,
қоршаған ортаның әсері соғұрлым көбейеді де, сигнал пішінінің өзге-
ру ықтималдығы артады. Сондықтан бұл әдісті ЭКГ-де қолдануға
болмайды.
Өтпелі кедергіні азайту үшін электрод пен терінің арасында физи-
ологиялык ерітіндіге (электролит) шыланған дәке орналастырылады.
Жүрек өзінің ырғағын жүргізушісінің жетекшілігімен атқарады.
Ол жүргізуші электр импульстарын қорытып шығарып, оларды өткіз-
гіштік ортаға қарай бағыттайды. Жүрек ырғағын (ритмін) жүргізуші-
58
қуыс веналардың (полые вены) қосылған жерінде, он жүрекшеде ор-
наласқан. Осы нүктені синус деп, кейде синус түйіні деп (синусовый
узел) атайды (30-сурет).
Калыпты жағдайда синус түйіні минутына 60—90 электр импуль-
сын қорытып щығарып, оларды жүректің өткізгіштік жүйесіне бірқа-
лыпты таратып тұрады. Осы импульстар өткізгіштік жолындағы мио-
карда бөлімдерін қоздырады.
Сонымен электрокардиограмма дегеніміз — жүрек биотоктарын
график түрінде тіркеу. Электрокардиограммада Р, 0, к, 8, Т тістері
болады (31-сурет).
30-сурет
ЗІ-сурет
Синус түйінінен шыккан электр потенциалы, алдымен оң жүрек-
шені (предсердие) коздырады. Ол қозу ЭКГ-де тіркеледі. Содан кейін
электр импульсы сол жүрекшені коздырады. Сол жүрекшенің қозуы
оңжүрекше қозған кезде басталады (30-сурет). Екібірдей жүрекшенің
қозуын ЭКГ-аппараты таспаға Р-тісі ретінде жазады. Олай болса,
Р-тісі импульстың алдымен он жүрекшенің (кисықтын көтерілген
бөлігі), содан кейін сол жүрекшенің (кисықтың төмен түскен бөлігі)
қозуын сипаттайды (ЗІ-сурет). Қалыпты жағдайда осы екі бөлік сим-
метриялы болады.
Жүректін қарыншалары белгілі бір ретпен қозады. Алдымен 0,03 с
аралығында қарыншааралық перде (межжелудочковая перегородка)
қозады. Оның қозуы 0 тісін тудырады.
Р-тісімен О-тІсінің арасында электрлік өзгерістер болмайды, ЭКГ-де
түзу сызық сызылады. Осыны изоэлектрлік процесс дейді (31-сурет).
59
Содан кейін жүректің ұшы және оған жакын орналаскан облыс-
тар козады. Соның нәтижесінде К -тісі пайда болады. Жүрек ұшының
козу уакыты, калыптьгжағдайда, орта шамамеи алғанда 0,05 с болады
(31-сурет).
Акыры жүректің негізі козады да 8 пайда болады. Оның козу
уакыты шамамен 0,02 с болады.
Жоғарыда аталған 0, В. және 8 тістері біртұтас карыншалык 0К8
кешенін (комплекс) кұрайды. Оның ұзактығы шамамен 0,1 с (31-сурет).
Миокарда жасушалары козған күйде ұзак уакыт тұра алмайды.
Сондыктан синустыктүйіннен басталған козу пропесі карыншаларды
қоздырғаннан кейін біртіндеп өше бастайды. Бұл арада аса күрделі
физиологиялык процесс жүреді. Ол процестерді әдетфв&р ғана үғым-
мен тұжырымдап айтады. Ол ұғым — реполяризация. Реполяризация
процессі ЭКГ-де 8-Т кесіндісімен және Т тісімен кескінделеді. Репо-
ляризация уакыты, қалыпты жағдайда 0,3 ± 0,02 с. Осы уакыт ішінде
жүрек козғанға дейінгі алғашкы күйіне кайта оралады, яғни келесі
козу процесіне дайын күйге келеді.
Жоғарыда қарастырылған ЭКГ-нің құрамынан мынадай корытын-
дыға келеміз: ЭКГ-нің Р, 0, К, 8 және Т тістерінің биіктіктері, олар-
дың пішіндері, В.-К, Р-(2, О-В-8 және р-Т интервалдары (31-сурет)
жүректің әрбір зонасының функционалдық ерекшеліктерін, яғни фи-
зиологиялык күйін сипаттайтын басты диагностикалык әдіс болып
табылады.
Мысалы: В-В — интервалы (уакыт) калыптан аз болса, жүректің
соғу жиілігі калыптан жоғары болады, оны тахикардия дейді. Ал сол
интервал калыптан кем болса жүректің соғу жиілігі төмен брлады, оны
брадикардия дейді. Егер К-К —интервалы бірде артып бірде кемісе —
оны аритмия дейді.
Электрокардиограмма жүректің биопотенциалдарының шамасы-
ның, пішінінің уакытка тәуелді өзгерісін ғана көрсетеді. Ол жүректің
интегралдык электрлік векторының бағытын аныктай алмайды. ИЭВ
бағытын аныкдау үшін векторэлектрокардиаграмма әдісі колданыла-
ды (ВЭКГ).
ВЭКГ-ны Эйнтховен үшбұрышының екі тармағының өріс
кернеулігін косу аркылы аныктайды. Ол үшін нүктелерді косатын
сызыктар өзара перпендикуляр болуы керек. Эйнтховен үшбұрышын-
да тармактар арасында пайда болған өріс кернеуліктері тік бұрышты
координаторлар жүйесінде карастырылады: оң қолдан сол қолға
60
32-сурет
Х-осінін бағытымен сол колдан сол аяқка карай, У-осінің бойымен,
сол колдан сол аякка карай 2-осінің бойымен бағытталады (29-сурет).
Сол векторлардың горизонталь, фронталь және сагиталь жазықтары-
на проекциясын қарастыру аркылы ИЭВ-дың кеңістіктегі орнын (а) —
бұрышын аныктайды.
Электрокардиографтын блок-схемасы 32-суретте келтірілген. Кар-
диографтыңтармақтарын косатын кілттін (ТК.К) көмегімен биопотен-
циалдар кернеуді күшейту блогының (КК) кірісіне беріліп, одан кейін
куатын күшейту (КК) блогына беріледі. Солай күшейтілген сигнал
электромеханикалыктүрлендіргішке (ЭМТ) беріледі. Осы блокта электр
сигналдары бакылауға колайлы сигналға түрленеді, кажет болғанда
таспаға жазып алуға болады.
Кардиографты электр энергиясымен қамтамасыз ету үшін қорек-
тену блогы (КБ) қолданылады.
61
ПІ-тарау
КВАНТТЫҚ БИОФИЗИКА
§ 15. МОЛЕКУЛАЛАРДЫҢ ҚҰРЫЛЫМЫ
ЖӘНЕ ОЛАРДЫҢ СПЕКТРІ
Молекула деп негізгі химиялык касиеті бар біртекті заттың ең ұсақ
бөлшегін айтады. Молекулалар атомаралық химиялық байланыстағы
біртекті немесе әртүрлі атомдардан құралады.
Молекулалар кұрамындағы атомдар арасындағьпЙЙ^ра әсер күш-
терінен туындайтын химиялық байланыстар олардың тұрақтылығын
анықтайды. Молекуланы құраушы атомдарға жіктеу үшін жұмыс атқа-
ру керек. Олай болса, молекулалар құрау үшін де жұмыс атқарылуы
керек. Мысалы, қосатомды сутегінің(Н2) молекуласын құрайтын энер-
гия сутегінің байланыссыз жекё екі атомның энергиясынан аз бола-
ды. Молекулалар құралу кезінде бөлініп шығатын энергия сол моле-
кула құрамына кіретін атомдардың өзара әсер күшініңатқаратынжұмыс
мөлшеріне тең болады.
Электр тұрғысынан қарағанда нейтрал атомдардыңтұрақты моле-
кулалар құру себебін түсіну үшін карапайым қосатомды молекулалар-
ды қарастырайық. Атомаралық өзара әсерлесу валенттік электрондар-
дыңәсерінен болады. Химиялықбайланыстарды атомдардың валенттік
электрондары атқарады. Бұл электрондардың потенциалдары ішкі элек-
трондық қабаттағы электрондардын потенциалдарынан аз болады.
Атомдарды молекулаларғатоптастыратын күштіңтабиғатын қарас-
тырайык. Егер атомдар бір-бірінен аса қашыктықта орналасса - олар
өзара әсерлесе алмайды. Олардың арақашықтығы азайғанда атомара-
лық өзара тартылыс күші көбейеді. Егер олар өте жақын орналасса
бірін-бірі тебеді. Атомдардың бірін-бірі тебуі немесе тартуы атомара-
лық г қашықтыққа байланысты. Атомдардың арақашықтығы өзгер-
генде олардың өзара тебу күші, тарты лыс күшіне карағанда, тез өзгереді.
Қарама-қарсы бағытталған күштер (тартылыс және тебіліс күштері)
бір уақытта әсер еткенде, белгілі бір арақашықтыкда олар бірін-бірі
тенестіреді. Ол күштердің геометриялық қосындысы нөлге тең бо-
лады. Осы қашықтыққа екі атомды молекуланың еңтөменгі потенци-
алдық энергиясы ІД(г) сәйкес келеді.
62
33-суретте тартылыс күшініи (Ғ2), тебіліс күшінің (Ғ,) және коса-
томды молекуладағы атомдардынөзара әсерлесу күшінің (Ғ3) г — ара-
қашыктыкка түсірілген проекциялары берілген. Тебіліс күшін оң күш
деп есептейді. 34-суретте кос атомды молекулалардағы атомдардың
потенциалдық энергиясынын ІҚг) аракашыктықка тәуелділігінің
графигі берілген.
Атомдардын өзара әсері бірін-бірі теңестіретін арақашыктыкты г0
(34-сурет) байланыс ұзындығы дейді. Д-шамасын молекулалар диссо-
циациясының энергиясы немесе байланыс энергиясы дейді. Диссо-
циация энергиясы молекулалар кұралған кездегі бөлініп шыккан энер-
гияғатең, бірактаңбасы карама-карсы болады. Егер диссоциация энер-
гиясы теріс болса, молекулалар кұралғанда бөлініп шықкан энергия
оң болады.
§ 15.1. Иондық және коваленттік байланыстағы молекулалар
Атомдардың сыртқы электрондық қабаттарындағы электрондар-
дың арасында атомдарды бірінің «қасында» бірін «ұстап тұратын» өзара
әсер күш бар. Ол күш атомдарды молекулаларда ұстаптұратын химия-
лықбайланыстуралы ең қарапайым ұғым. Өзара әсерлесетін екі атом-
ның арасында танбалары карама-қарсы электр зарядтары болғанда ғана
ол молекулалар тұрақты болады. Сонда осы зарядтардыңөзара тарты-
лыс күші молекулалардағы химиялык байланысты камтамасыз етеді.
63
Осындай байланьістағы молекулалардың мысалы ретінде сілтілік —
галоидты түздарды айдуға болады: ЯаСІ, КЫС. СЫ және т.б. Өзара
әсерлесетін атомдар мұнда ионға айналады. Өзіне бір немесе бірнеше
электрондар косқан атомдардын бірі теріс заряд алып, теріс ион бола-
ды. ЕкіншІ атом.соншама электрондарды беріп, он ионға айналады.
Қарама-қарсы зарядталған иондардын арасында электростатикалық
тартылыс күші пайда болады.
Осындай байланысты иондык байланыс дейді. Кейде оны гетере-
полярлык (грек сөзі гетеро — әртүрлі) байланыс дейді.
Ас тұзы молекулаларынын пайда болу шартын карастырайык.
Натрийдің атомыныҢ бірінші топтағы металлдардың атомдары сияқты,
ионизациялык потенциалы аз болады. Натрийдің оій^Гқы электрон-
дық қабатындағы он бірінші электронды бөліп шығару үшін 5,1 эВ
энергия кажет. Екінші жағынан, сыртқы электрондык кабатында жеті
электроны бар, С/-дын атомы, жетінші топтағы баскадай металлоид-
тар сияқты, жоғарғы электрондық касиетімен ерекшеленеді. Осыны
баска электрон косылғанда металлоидтың атомынан бөлініп шығатын
энергия деп түсіну керек. Мысалы, хлор үшін бұл шама 3,8 эВ. Натрий
атомынан электронның хлор атомына өтуі натрийдің оң ионын Ка+,
хлордың теріс ионын С1~ тудырады. Олардын әрқайсысында тұракты
электрондық кабат пайда болады. Қарама-қарсы таңбалы Ка+ және
С1~ иондарының электростатикалыкөзара тартылысы оларды жақын-
дастырады.
Бірак Ка+ және С1~ иондарының аракашыктыктары аз болса, олар
бірін-бірі тебеді. Ол күштер атомдардың өзара әсер ету аракашықтык-
тарына тәуелді болады. Соңында Иа+ және СС иондары бір-бірінен
тартылыс және тебіліс күштерін тенестіретін г0 арақашықтықта орна-
ласады. Соның нәтижесінде иондык байланысы тұрақты Ыа СІ пайда
болады.
Бірдей атомдардан (мысалы Н2 молекулаларынан) тұратын моле-
кулаларда иондык байланыс болмайды. Себебі бұл жағдайда, қарама-
қарсы зарядталған иондар пайда болмайды. Бірак электрлік нейтрал
атомдардың арасында химиялық байланыстың ерекше түрі бар. Осын-
дай химиялық байланысты ковалентті байланыс немесе гомеополяр-
лык(грек сөзі гомео-бірдей) байланыс дейді. Н2, О2, М3типті косатом-
ды молекулаларымен қатар ковалентті байланыс көптеген молекула-
ларда байқалады: фторлы сутегі (НҒ), азот тотығы (N0), аммиак (ИН3)
метан (СН4) және т.б.
64
Ковалентті байланысты тек кванттык механика тұрғысынан ғана
түсіндіруге болады. Ол үшін ең карапайым екі протоннан және екі
нейтроннан тұратын Н2 молекуласын карастырайык. Н2 молекуласы-
ның ядролар арасындағы тепе-тендіктің аракашыктығы г0= 0,074 нм.
Сутегі молекуласы үшін байланыс энергиясы 4,718 эВ, немесе
432,25 Дж/моль.
Ковалентгі байланыстың квантгық механикалықнегізі ретінде элек-
тронның толқындық табиғатын ескеру қажет.
Қарапайым жағдайда электронның 8-күйінің таралу ықтималдығы
сфералык — симметриялык сипат алады, яғни «электрондык бұлттың»
өзіне тән сфералықрадиусы бар. Сонымен қатар екі бөлшектің, мыса-
лы электронның, бір-бірінен ешқандай ерекшелігі жоқ. Шынында, өз
«ядросын» айнала қозғалған сутегі молекуласындағы екі электронның
бір-бірінен ешқандай ерекшелігі жоқ: олардың зарядтары, тыныштық
массасы және спиндері (/? /2) тең. Олай болса а- ядросының 1-элек-
троны в-ядросының 2-электронның орнына «барса» және керісінше
2-электрон 1-электронның орнына барғанмен Н2молекуласы ешқан-
дай өзгермейді (35-сурет).
Электрондармен осылай алмасу Н2 молекулаларындағы сутегі атом-
дары бір-бірімен өте жакын орналасканда ғана болады. Сонда екі атом-
ның «электрондық бұлты» бір-бірімен қабаттасады. Паули принципі
бойынша бір күйде екі ғана электрон болуы мүмкін, бірақ олардың
спиндері қарама-қарсы болады. «Электрондық бұлттардың» қабатта-
суы атомдардың арасында (кванттық механикалық) өзара әсерлесу
күшін тудырады. Сутегі молекуласындағы әр электрон бір ядродан
екінші ядроға «ауысуы» мүмкін.
Кванттық механика тұрғысынан қарағанда осы құбылысты былай
түсіндіруге болады: екі электронның спиндері қарама-қарсы (антипа-
65
36-сурет
раллель) атомдардың өзара әсерлесу энергиясы аз болады. Сондықтан
молекулалартұракты болады. Егер спиндер параллельболса, атомдар-
дың әсерлесу энергиясы оң болып, атомдар бір-бірін тебеді,
36-суретте электрондардыңспиндері карама-қарсы (1-кисық) және
параллель (2-кисык) болғандағы сутегі атомдарының өзара әсерлесу
энергиясы 11 (эВ) (теория жүзінде аныкталған) көрсетілген. Ядролар-
дын арақашыктығы теория жүзінде 70 = 0,083 нм болғанда энергия
минимум (3,27эВ) болады (1-қисық), ал тәжірибе жүзінде 20 = 0,074нм
болғанда энергия 4,0 эВ-ка тең болған. Кванттык механика тұрғысы-
нан қарағанда осындай сәйкестікке толық қанағаттануға болады. Со-
нымсн, Н2молекулалары электрондардыңспиндері карама-карсы бол-
ғанда ғана түрақты болады. Спиндері параллсль болса, онда атомдар
бірін-бірі тебеді де, молекула құрылмайды.
§ 15.2. Молекулалардың спектрі туралы ұғым
Молекулалар спектрі тығыз орналаскан, ені әртүрлі, көптеген жо-
лақтардантұрады. Сондықтан оны толыкспектр дейді. Жолактар элек-
тромагниттіктолкындарыныңинфракызыл, көрінетін және ультракүл-
гін сәулелер диапозонында болады. Молекулалар спектрінде тығыз
орналасқан жолақтар — жолактар тобын кұрайды. Қарапайым коса-
томды молекулаларда бір, кей атомдар үшін бірнеше жолақтар болады.
66
37-сурет
37-суретте, мысал рстінде азот молекуласының спектрінің бір бөлігі
берілген.
Молскула күрделі болған сайын, олардын спектрлері де күрделі
бола береді. Құрылысы күрделі көп атомды молекулалардың көрінетін
және ультракүлгін сәулелер спектрлерінің бөлігінде, жұтылу және
шығару спектрлеріне сәйкес келетін жолақтар болады.
Молекулалардың энергиясы өзгерген сайынолардыңспектрлерінде
жанадан спектрлік сызыктар пайда болады. Молекулалардың толык
энергиясы, бір-біріне тәуелсіз десе де болгандай, бес бөліктен тұрады.
Ол бөліктср мыналар: е^ — молекуланың инерция центрінің ілгері-
лемслі козғалысының энергиясы, Еа[ін — бір осьті айнала козғалған
молекуланың айналмалы қозғалысының энергиясы; е — молекуланы
кұрайтын атомдардың электрондарының энергиясы; етер — молекула-
ларды кұрайтын атомдардың тербелмелі козгалысының энергиясы;
енл — атом ядросының энергиясы. Осыдан, молекуланың толықэнер-
гиясы мынаған теңдеп жазамыз:
Е = Е . + Е .. + е+с + Е . (1)
і.тг аин эл тгр яд ' '
Молекулалардан ілгерілемелі козғалысының энергиясы - е коз-
ғалыстың шарты өзгерген сайын өзгередІ. Изоляцияланған атомдар-
дың ілгерілемелі козғалысынын энергиясы квантталмаған, соған бай-
ланысты молскулалардын ілгерілемелі қозғалысының энергиясы да
квантталмаған. Молекулалардыңілгерілемелі қозғалысыныңэнергия-
сынын дискретті мәні болмайды. Олай болса Еігігмолекулалыкспектр-
де жолақтардың пайда болуына әсер ете алмайды.
67
Ядро бөлшектерінің(нуклондардың) әсерінен болатын оптикалық
құбылыстарды ескермеуге болады. Олай болса (1) теңдеуді былай жа-
зуғаболады.
Е = Е + Е + Е „ . (2)
эл тер аин ' '
Осы қосылғыштардың әрқайсысының (Агрі, Аатср, ДеяЯн) дискреті
өзгереді. Сондықтан молекуланың энергиясы дадискреті өзгереді. Олай
болса сол өзгерісті былай жазамыз:
Де = Де + Де + Де . . (3)
эл тер айн ' '
Бордың ережесі бойынша энергетикалық күйі өзгерген молекула-
ның шығаратын квантының энергиясы мынаған тең^';«*4.
Д£ Ае1 Ае
V =---= -^ +------222 +—. (4)
Һ Һ Һ Һ
Тәжірибе жүзінде
Де „ « Де « Де (5)
аин тер эл х
екені аныкталған.
Бүл теңсіздік электромагнит толқындарының әр диапазоны үшін
молекулалык спектрдің өзіне тән жиілігі болатындығын және соған
сәйкес келетін спектр сызықтары болғандығын көрсетеді.
Мысал ретінде молекуланың жұтылу спектрінің пайдаболуын қарас-
тырайық. Молекулалыққұрылымнантұратын заткатөменгі V жиілікті
электромагниттік толқын түссін. Бұл кванттың энергиясы Һ V аз де-
ген ұғымды білдіреді. Молекуланың ең жакын орналаскан екі энерге-
тикалық деңгейлерінің энергияларының айырмасына кваят энергия-
сының Һ V ең төменгі мәні тең болғанға дейін жарық жұтылмайды,
жұтылу жолағы болмайды. Келіп түскен толқынның ұзындығы 0.1 >1 мм
болғанда ғана жарықжұтыла бастайды. Бұл жиіліктерде кванттар энер-
гиясы молекуланың айналмалы қозғалысының энергиясына (Еайн)
сәйкес келеді. Кванттың жұтылуы молекуланы алғашқы энергетика-
лык деңгейден жоғарғы энергетикалық деңгейге өткізеді. Осы про-
цесс жұтылудың айналмалы спектрінің сызықтарын береді. Келіп
түскен жарықтыңтолқын ұзындығы азайған сайын, кванттардын энер-
гиясы артады, соған сәйкес келетін айналмалы спектрдің жұтылуы-
ның жаңа сызықтары пайда болады. Спектрлік сызықтардың жиын-
тығы молекулалардың айналмалы энергетикалық күйі туралы түсінік
береді (37, 5-сурет).
68
Толкын ұзындығы Іч-Ю мм инфракызыл диапазонындағы элект-
ромагнит толкындары жұтылғанда молекулалардың энергетикалык
денгейлерінің арасында тербелмелі орын ауысу процесі өтеді.
Бірақ молекуланың тербелмелі энергетикалык деңгейі өзгергенде
онын айналмалы энергетикалық күйі де өзгереді. Тербелмелі екі энер-
гетикалық деңгейлердің бір-біріне өтуі молекулалардың айналмалы
энергетикалык күйімен катар өтеді.
Соның нәтижесінде молекулалар-
дыңтербелмелі - айналмалы спектрі
пайда болады. Ол 38-суретте көр-
сетілген спектр сызығының у^.тол-
қын ұзындығын беретін молекула-
ның тербелмелі деңгейге өтуі айнал-
малы деңгейге өтумен қатар жүреді.
Сондыктан V айн спектр жиі-
лігінде молекуланыңбір энергетика-
лықдеңгейден екінші деңгейге өтуі
нәтижесінде бір-біріне өте жақын
орналасқан бірнеше спектр сызық-
тарынан түрады. Ол сызықтар қабат-
таса келіп жолақтар құрайды. Әр
жолак бір тербелмелі өтуге сәйкес
келеді. Көрінетін және ультракүл-
гін сәуле диапазонындағы электро-
магнит толқын жұтылғанда молеку-
лалардың энергетикалық деңгейі
түрліше электрондық энергетикалык
деңгей аралығына өтеді.
Молекуланы кұрайтын атомның
немесе дискретті энергиясы бар
электрондар конфигурациясымен
анықталатын электрондардын кеңіс-
тікте таралуы, әрбір электрондык
энергетикалық деңгейге сәйкес ке-
леді. Электрондар конфигурациясы-
ның өрқайсына және молекуланың
энергетикалықдеңгейінің әркайсы-
сына молекуланы күрайтын атом
Тербелмелі Айналмалы
деңгейлер
38-сурет
V с
эп+теро
Электрондық Тербелмелі
деңгейлер
39-сурет
69
ядросының тербелісі сәйкес келеді. Сондықтан тербслмелі энергети-
калыкдеңгей көп болады. Екі элсктрондық энергстикалықденгсйлер
арасындағы өтуге көптеген тербелмелі денгейлер, сәйкес келеді.
Молекуланың электронды-тербелмелі сиектрі осылай пайда бола-
ды. Бұл спектр көптеген бір-біріне өте жакын орналасқан спектр сы-
зықтарынан тұрады (37, 5-сурет). Ол 39-суретте көрсетілген.Сонымен
катар әрбір тербелмелі энергетикалык күйге, 38-суретте көрсетілгендей,
айналмалы энергетикалық деңгейлер жүйесі кабаттасатынын ескеру
кажет. Сонымен электрондық тербелмелі спектр бірнеше жолақтар-
дан, немесе бір-біріне өте жақын болғандықтан қабаттасқан үлкен
жолақтардан түрады.
§ 16. ЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ
Кызған ленелер жарық шыгаралы. Олардың атомдары мен молеку-
лаларынын жылулық қозғалыстары жарык сәулесінің энергиясына
айналады. Жылулык сәуле шығарумен қатар энергияның түрлену
нәтижесінде басқадай жарык шығады. Ол жарықтар — суық жарык-
тар, оларды люминесценция (латын сөзінен Іитіпіз - жарык) дейді.
Суык жарық оны тудыратын энсргияның түріне байланысты хемилюми-
несценция, электролюминесценция, фотолюминесценция деп бөлінеді.
Мысалы, шіріген ағаштардыңтүбінде, сүйектердің жатқан жерінде
үзақ уақытішінде баяу өтетінтотығу реакциясы нәтижесінде болатын
жарықты — хемилюминесценция дейді. Электр заряды кезінде электр
өрісінде қозғалған иондар мен электрондардын соқтығысу нәтижесінде
пайда болған жарықты — эіектролюминесценция дейді.
Фотолюминесценцияда бір затта жүтылған жарыксәулесінің энер-
гиясы сол заттан суық жарық шығарады. Шыккан сәуленің толкын
үзындығы жұтылған сәуленін толкын ұзындығынан ұзын болады. Көп
заттарда, мысалы газдарда, сұйыктарда, әсер етуші жарыкөшкен кез-
де суық жарық шығару да бірден тоқталады. Осындай жарык шығару-
ды флуоресценция (латын сөзінен/!иоғ — ағын) дейді. Ал кейбір қатты
денелер әсер етуші жарык өшкеннен кейін де ұзақ уакыт жаркыл
шығара береді. Ондай жарық шығару кейде бірнеше сағатқа созылуы
мүмкін. Осындай жарық шығаруды фосфоресценция (грек сөзінен
рһоз — тасымалдаушы) дейді.
Фотолюминесценцияда бір затта жұтылған фотонның энергиясынын
һ Үобір бөлігі түрліше молекулааралық процеске беріледі. Сондықтан
70
сол заттын ішінде жұмыс атқарылады. Шыккан фотонның энергиясы
Й V келіп түскен фотоннын энергиясынан һ \'оаз болады, яғни
һ у0- А.
Әдетте А>0, яғни V < ү0 және Х< А.о. Осы ережені Стокс ережесі
деп былай корытыңдылаймыз: Бір затка келіп түскен сәуленіңәсерінен
(X) пайда болған люминесценцияның спектрі ұзын толкын (А.,) жакка
карай ығысады (40-сурет). Сондықтан келіп түскен сәуленің энер-
гиясы (Е[) пайда болған сәуленің энергиясынан (Е2) көп болады.
Энергияның бір бөлігі сол затта жұтылады. Жүтылған энергияның
шамасы мынаған тең:
Күнделікті өмірде колдану үшін затқа түскен жарық энергиясы-
ның қандай бөлігі люминесценттік жарык беретінін білу өте кажет.
Осы мәселені С. И. Вавилов терең зерттеді. Фотолюминесценция ке-
зінде бөлініп шыққан энергияның (Е) жұтылған жарықтың энергия-
сына (Ео) қатынасын фотолюминесценцияның энергетикалык шығы-
МЫ дейді.
С. И. Вавиловтың заңы бойынша фотолюминесценцияның энер-
гетикалық шығымы Д келіп түскен жарыктың толқын үзындығына
тәуелді (41-сурет), яғни бастапкы кездетолкын ұзындығы арткдн сай-
ын энергетикалық шығым да артады, белгілі бір толқын аралығында
(\— X,) тұрақты болып, кейін кенет азаяды. С. И. Вавиловтың заңын
71
д
41-сурет
түсіндіру үшін фотолюминесценцияның кванттық шығымы деген
үғымды қарастырайық.
Фотолюминесценцияның кванттык шығымы деп люминесценттік
жарық кванттарының (п) оны қоздырған жарық (келіп түскен) кван-
ттарына (п0) қатынасын айтады, яғни
п
'7„= —Ю0%.
«о
Осы үғыммен қатар жоғарыда айтылғандай, люминесценцияның
энергетикалық шығымы деген үғым да қолданылады. Ол мынаған тен
Е пһ V V Я
Л = — = —— = — -
£о щһ 1/О Ңо Л)
Ео - келіп түскен жарықгың энергиясы; ү0 — жиілігі және Хо -
толқын ұзындығы. Бұдан мынаны көреміз: фотолюминесценцияны
тудыратын жарық толқынның үзындығы артқан сайын (яғни, жиілігі
азайған сайын) фотолюминесценция көзінің энергиясына сәйкес
келетінфотондарсаны артады. Біракәрфотон энергиясы Һ ^1юм-ғатең
баска фотон тудыруы мүмкін. Сондыктан түскен жарықгың толқын
ұзындығы артқан сайын люминесценцияның энергетикалық шығы-
мы да артады.Түскен жарықтың толқын үзындығы бір шамаға жет-
кенде фотолюминесценцияның энергетикалық шығымы кенет азаяды.
Себебі осы толқын ұзындығына сәйкес келетін кванттың энергиясы
Һу люминесценция центрін қоздыруға жеткіліксіз болады.
72
§ 16.1. Флюоросценция. Фосфоросцеипия
Жарыктың жұтылуынан пайда болатын флюоросценттік процесс
толығымен молекуланын ішінде өтеді. Люминесценттік жарык шығару
түскен сәуленің әсерінен козған күйге өткен электронның бастапкы
калыпты энергетикалык деңгейге өту процесінде болады. Молекула-
лардың флюоресценциясы кезінде фотон накты жүтылады және фо-
тонды жұту және сәуле шығару арасында, аздаған болса да, уакытөтеді.
Флюоресценцияда молекулада жүтылған фотонның энергиясы
козған молекуланың энергетикалык деңгейлерінін айырмасына тең
болуы керек. 42-суретте флюоресценция механизмі көрсетілген.
Жоғарғы энергиялы фотон Й т .. молекулада жұтылып оны бастапқы
Еоэнергетикалык деңгейінен козған күйге Е өткізеді (ол суретте тұтас
сызык). Молекула бастапкы күйге түрліше кванттар шығару аркылы
өтеді (ол суретте үзік сызык һ м50). Шыккан кванттардың энергияла-
рының косындысы жұтылған кванттың энергиясына тең болады.
Флюоресценциялық жарык шығару сол заттың молекуласының
ғана касиеті және ол сырткы әсерге тәуелді емес деуге болады. Осын-
дай заттарды кыздырғанда жылу әсерінен козған молекулалар саны
артып, Стокс заңына карсы келетін сызыктардың пайда болуын же-
ңілдетеді. Сондай сызыктардын пайда болуы 42-суретте (/? ^25-> Ь5|
немесе Һ V сызықтары) көрсетілген. Молекулалардыңфлюоресценттік
73
спектрін зерттеу сол молекулалардын құрамын және қасиетін анық-
тауға мүмкіншілік береді. Кейбір газдар мен сұйықтардың фотолюми-
несценциясын, арнайы-аспаитарсыз-ак байкауға болады.
Мысалы, бояудыңерітіндісінен (керосин, хинин ерітіндісі жәнет.б.)
жарықсәулесі өткенде ерітінді ішінде жарықтың «ізі» жақсы көрінеді.
Бұл құбылыс жарыктың шашырауына байланысты емес. Олай болса
ерітіндінің өзі сол жарыктың әсерінен флюоресценттік жарық шығара
бастайды. Осындай флюоресценция кезіндеерітіндіге келіптүскен жарық
екі түрлі болады. Осы айырмашылыкты жай көзбен де көруге болады.
Фосфоресценция кұбылысы өтетін кристаллдарда (оларды фосфор
дейді), келіп түскен жарыктын әсерінен электрон жарықталу центрінен
бөлініп шығады. Жарыкталу центрлері иондар, атог^йЧН. иондар жи-
ынтығы немесе атомдар маңында топтасқан басқа заттар болуы мүмкін.
Оларды белсендірушілер (активаторлар) дейді. Бөлініп шыккан элект-
рон өзінің орнына қайтып келгенде немесе сол орынға баска бір элек-
трон келгенде жарык бөлініп шығады. Кристаллдарда электрондар-
дың козғалғыштық қабілеті өте аз, сондыктан олардың қозу уақыты
да аз болады. Темпсратура өскенде осы уақыт кыскара береді.
Люминесценция кұбылысы көптеген сұйыктарда және катты де-
нелерде байқалады. Заттың табиғатын және құрамын люминесцен-
циялық спектрі арқылы анықтауды люминесценциялык, анализ дейді.
Мысалы, люминесценциялық анализбен ерітіндідегі заттың 10’4 кг/м3
коспасын және массасы 1 тонна катты денедегі косынды заттың
мөлшерін 1013 кг шамасында аныктауға болады. Сондықтан осы әдіс
ғылым мен техникада кеңінен колданылады. Атап айтканда геология-
лықбарлауда, өнімдерді іріктеуде, полеонтологияда жәнет.б. салалар-
да өте маңызды рөл атқарады.
Көптеген органикалық қосылыстар (кышкылдар, эфирлер, май-
лар, алкалойдтар және т.б.) калыпты жағдайда немесе ультракүлгін
сәулемен әсер еткенде өзіне тән люминесценттік жарық шығарады.
Міне осы жарықтың спектрлік кұрамын талдай келіп тағамдардың,
дәрі-дәрмектердің, тіннің, терінің және т.б. қоспаларын аныктайды.
Ультракүлгін сәуленің әсеріяен ағзаның көптеген тіндері, мысалы
тырнақ, тіс, боялмаған шаш, көздің қасаң кабығы, көз бұршағы және
т.б. флюоресценттік жарықшығарады. Сол жарыктың спектрін анық-
тау диагностикада колданылады. Осы мақсатта колданылатын кұрал-
ды флюорометр дейді. Флюорометрдіңбасты бөлігі сынапты шам. Оны
кварцты шам деп те атайды.
74
43-сурет
Сынапты шам — ішінен ауасы жоғарғы вакуумға дейін сирстілген
кварц түтігінсн түрады. Түтіктің іші аргон (Аг) газымен толтырылып
оған бірнеше тамшы (Н§) сынап (43-сурет) қосады. Түтіктің екі басы-
на Ээлектрод орналастырылған. Осындай шамды ток көзіне косқан-
да, аргоннын жеке иондары мен электрондарының әсеріпен солғын
(тлеюіций) разряд пайда болады. Газдың иондары мен электронлары
түтіктің ішіндегі электродтармен соктығысып, оларды қыздырады.
Қызған электродтардың бетінен электрондар бөлініп шығады.
Шам қызады да оның ішіндегі сынап буланады. Сынап булары-
нын арасында доғалык разряд пайда болып,түтіктің ішіндегі газ қысы-
мы артады — шам ультракүлгін сөуле шығаралы. Мысал ретінде алам
ағзасына ультракүлгін сәулемен әсер
етуге арналған сынапты шамнын кескіні
44-суретте көрсетілген.
Мұнда сынапты шам (Г) рефлектор-
дыңішіне (Р) орналастырылып штатив-
ке (Ш) бекітіліп, қоректену блогына
(Б — ток көзінс) қосылған. Рефлектор-
дың ішкі беті жарықты толық шағыла-
тын айна бетпен қапталғандықтан жа-
рық сәулесі бір бағыгга таралады. Осын-
дай сынапты шамның жүмыс нәтиже-
сінде алынған ультракүлгін жарықпен
адамның денесін сәулелендіруге болады.
Флюоресценттік заттарды немесе
флюоресценттік бояумен боялған гис-
тологиялық препараттарды зерттеу үшін
44-сурет
люминесценттік анализ кеңінен қол-
даңылады. Ол үшін люминесценттік
75
45-сурет
микроскоп колданылады (45-сурет). Ол сынапты шамы бар арнайы
жарык көзінен (О), толқын ұзындығы 320—400 нм ультракүлгін сәулені
ғана өткізетін жарык сүзгішінен (Ф), кварц призмасынан (ГТ) және
кварцты линзасы бар конденсордан (К)түрады. Препаратультракүлгін
сәуле өткізетін арнайы шынының (Т) үстіне койылады. Микроскоп-
тын оптикалык жүйесі — карапайым оптикалық жүйеден тұрады.
§ 16.2. Хемилюминесценция
Химиялык реакция нәтижесінде пайда болатын суык жарыкты хе-
молюминисценция дейді. Осындай жарыкталынудың болуы химмя-
лық реакцияға қатынасатын кейбір заттардың электрондық — козған
күйге өтуінен болады. -
Мысалы,
А + В —> Р* + басқа заттар;
Р* Р + Һу (хемилюминисценция).
Химиялык реакциялар шексіз көп, бірак солардың ішінде кейбі-
реулері ғана көрінетін жарык немесе ультракүлгін сәуле шығарады.
Мысалы, биолюминесценция — кейбір бактериялардың, құрттардың,
балықтардың және т.б. биологиялық заттардың карапайым көзге
көрінетін люминесценттік жарык шығаруын айтады.
Хемилюминесценция, әдетте, органикалыққосылыстардыңтотығу
процесімен қатар жүреді. Липидтердің пероксидті тотығуы тіндердің,
гомогенаттардың, қаныкпаған майлы қышқылдар суспензияларының
өте әлсіз жарык шығаруымен қатар жүреді.
76
Физикалық фактордың әсерінен иайда болған бос радикалдардын
хемилюминесценциясы мынандай түрлерге бөлінеді: радиохемилюми-
несценция (иондағыш сәуленің әсерінен); фотохемилюминесценция
(көрінетін жарық немесе ультракүлгін сәуле әсерінен); электрохеми-
люминесценция (ерітіндіден электр тогын өткізгенде, сонолюминес-
ценция (ультрадыбыстың әсерінен); триболюминесценция (ерітінділер
козғанда) және т.б.
Қатты фазадағы затқа жарык түскенде бос радикалдардың қоз-
ғалғыштығьі кенет шектеледі. Егер осы заттың температурасы артса
немесе олардыңтығыздығы азайса, онда олардың реакцияға түсуі және
хемилюминесценцияның белсенді фазасына өтуі артады. Осындай
жарык шығаруды термолюминесценция дейді.
Хемилюминесценцияны кадағалау — люминесценттік жарык шы-
ғаратын химиялық реакцияның өту процесін бақылауға мүмкіншілік
береді. Бос радиакалдарды тіркеу үшін де хемилюминесценцияның
маңызы аса зор. Адам канының плазмасынан екі валентті темір ион-
дарын шығарғандағы хемилюминесценцияның графигі 46-суретте
көрсетілген. Темір иондары липидтердін пероксидті тотығуын күшей-
теді. Хемилюминесценция кванттары пероксидті бос радикалдардың
(калың ңүктемен белгіленген) әсерінен триплетті қозған кетондардың
әсерінен болады:
КОО* + КОО’ + Н : -> КО* + КОН + о2;
КО*->КО+ Һу.
Фагоцидті қан жасушаларына өндіріс шаңдары, газдар және т.б,
Жеңіл заттар араласқанда хемилюминесцинцияның спектрі өзгереді.
77
Соіан карап іпаннынтегін аныктауға болалы. Улы газдар суиероксидті
О* және гидроксилдг’0Н радикалдарын жәнс оттегінің баскалай
формаларын тудырып, ұлпанын ферментативтік жүйесін арттырады,
Мысалы жүректін ишемиялык наукасыпда, миокарда инфарктісіндс
ұлиалардың фагоцитгік белсснділігі кенет өзгереді. Осы өзгеріс диаг-
постикалық тәсіл ретінде колданылады.
§ 17. ФОТОБИОЛОГИЯЛЫҚ ПРОЦЕСТЕР
Фотобиологиялык процестердің биофизикалық негізін зерттеу
кванттык биофизиканың басты бөлімі. БиологиялыіЖЬіызды моле-
кулалардың жарык кванттарын жұтуынан бастап, ағза деңгейінде фи-
зиологиялык реакциямен аякталатын процсстерді фотобиологиялық
процсстер дейді. Оған мыналар жатады:
- Фотосинтез — Күн сәулссі әсер еткен кездегі органикалық мо-
лекулалардың синтезі.
— Фототаксис — организмдердің қозгалысы, мысалы бактериялар-
дың жарыққа қарай, не олан кері қарай козғалысы.
— Фототропизм — өсімдіктердің жапырақтарынан немесе сабағы-
нын. жарықка қарай немесе кері карай бұрылуы.
— Көру — жарық эпергиясының көз торында нерв импульсының
энергиясына түрленуі.
- Ультракүлгін сәуленің әсері (микроорганизмдердегі бактерия-
ларды өлтіру немесе оларды турақтандыру, провитаминдерден Д вита-
минін гүзу, адам терісіне эритсмалық әсер, терапевтік эффеКг және т.б.).
Фотобиологиялык процестер көп сатылы болады. Олардын әрқай-
сысы жарық квантын жұту процесінсн бастап ағзада өтегін күрделі
физиологиялық реакциялармен аяқталатын көптеген топтарлан тұра-
ды. Шартты түрде фотобиологиялық процесстердің өту сатысын мына
топтарға бөлуге болады:
1) жарык квантының жұтылуы; 2) молекулалар ішінде өзара энер-
гиямен алмасуы; 3) қозған молекулалар арасында энергия тасымалда-
нуы; 4) алғашқы фотохимиялыкакт; 5) тұрақты өнімдертүзетін қараң-
ғылық реакциялары; 6) фотоөнім түзетін биохимиялық реакциялар;
7) жарықтың әсеріне жалпы физиологиялык жауап.
Бастапқы үш фотохимиялык процесс фотохимия және люминес-
ценция процестері үшін бірдей. Алғашқы фотохимиялыкакт — моле-
78
куланың төменгі синглетті 8, немесе козған күйдегі триплетті Т,
әсерлесуінен туындайтын процесс.
Кванттық шығым - ол козған молекулалар санынын жұтылған
кванттар санына катынасы. Фотохимиялық реакцияның алғашкы саты-
сындағы кванттың шығымы деп фотохимиялық процеске катынаса-
тын козған молекулалар санының жалпы молекулар санына қатына-
сын айтады:
Л * —> Р (реакция өнімі)
Ф = дР/дА* = кДк^+кр. (1)
Мұндағы к^ және к2 тәжірибенің тұрактылары.
Қалыпты жағдайда кванттың шығымды объектіге интенсивтілігі 4
(эйнштейн/с) монохромат жарыкпен Ді уакыт аралығында әсер ет-
кенде бастапқы заттың азаюын (ДА) немесе реакішя өнімінің жинақ-
талуын (АР) өлшеу аркылы аныктауға болады:
Ф = -ДА/[Іг(І-Т) }.
Мұндағы (1—Т) - жұтылу коэффициенті; 1т - сәулелендіру дозасы.
Кванттык шығымды (Ф) аныктау - ол тәжірибенің шартына байла-
нысты. Мысалы, реакция өнімдерінде немесе бөгде заттарда әсер етуші
жарықтың жұтылуы кванттык шығымды (Ф) азайтады.
Пайда болған алғашкы радикалдардың әсерінен тізбекті реакция-
ның өсуі кванттық шығымды өсіреді. Алғашқы реакцияның квант-
тык шығымын 1-формуламен аныктап, фотохимиялық процестерді
түсіндГруге болады.
§ 17.1. Фотобнологиялық әсер спектрі
Келіп түскен сәулені жұтып, соның нәтижесінде бастапкы фото-
биологиялык процесі қатынасатын затты анықтау фотобиологиялық
процестерді зерттеудіңбасты мәселесі. Ол үшін фотохимиялықәсерді
аныктап, оны реакцияға қатынасқан заттарда жарыктың жұтылу спект-
рімен салыстырады. Бұл реакция бір бағытта және өте кысқа уақытта
өтеді: жұтылған жарық квантының әсерінен молекула өзгермейді не-
месе толығымен белсенділігі артады. Белсенділігінін арту ықтимал-
дылығын оның кванттық шығымы Ф деп атайды.
79
Осы процестің кинетикасын карастырайық. Калындығы / = 1 см
астаушаға 1 см3 көлемде таралымы п молскулалары бар ферменттін
ерітіндісі кұйылсын. 8 (см2) — ферменттін квантты жұту көлденең
қимасы; 10 (см^-см’1) секундына 1 см2 ауданға келетін квант санымен
өлшенетін ерітіндіге түскен жарык сәулесінің интенсивтілігі және 1-
ерітіндіден өткен сәуленің интенсивтілігі болсын.
Ерітінді әр секундта мынандай
Д1 = (Іо — 1) см 2 • с1
жарыктың интенсивтілігін жұтады. Сонда ерітіндінің 1 см2 ауданын-
да секунд сайын белсенділігі артатын молекулалар саны мынаған тең
болады:
^77 / 7
- —= Ф(70-7). (2)
аі
Мұндағы Ф — фотохимиялық реакциясының кванттық шығымы.
10, 1, 8 және / Бугер-Бер-Ламберт (3) заңына сәйкес бір-бірімен
байланыстағы шамалар Бугер-Бер-Ламберт заңы бойынша кез келген
ортада жарық жұтылса, онда ол жарықты өткізу (Т = 1/1 )
коэффициентімен сипатталады. 0
Сонда Т=І/І0=е'5п< (3)
Мұндағы п — жарықты жұтатын молекулалардың таралымы (см3) Бу-
гер-Бер-Ламберт заңынан (3) және (2) теңдеулерден мынаны табамыз:
-/^ = ФІ0(1-е”"'). (4)
аі
Ерітінділер ұшін 8п1<0,1 олай болса (4) тендеудегі жақша ішіндегі
шама
(1~е-зп[) = 8п1.
Егер /=1 см болса, онда
сіп
—т- = ФЛ>. (5)
аі
Осы шаманы интегралдап мынаны табамыз
Іп —=/0/\ф = Да (6)
77
Мұндағы Д=Іоі — сәулелендіру дозасы; с> - 8Ф — ферменттің сәулемен
әсерлесетін көлденең қимасыныңауданы 1п (п^/п^) — Г(Д) тәуелділігінің
80
1 '____ 1
графигін салу арқылы ст-ны табуға болады. Егер п^/п^ = е, 1п - 1
болса, онда о-ны белсснділіктІ арттыратын дозаның кисығы аркылы
табуға болады
15 = У^У7% ‘
Мүндағы Д37% — молекулалардып 37% әсерлеспей калған сәулелендіру
дозасы (47,. о-сурет).
47-сурет. а — ферменттін белсенділігінің көлденең қимасын анықтау;
б— Аожәне Ат- ферменттердің Д(дозасынан сәулелендіруден бұрынғы
және кейінгі белсенділігі
Әр молекуланың жарықты жұту мүмкіншілігі баска молекулалар
әсерінен азаюы мүмкін. Себебі жарықтыңтаралу жолындағы алғашқы
молекулалар жарықты көп жұтып, кейінгі қабаттағы молекулаларға
«көлеңке»түсіруі мүмкін. Сондықтан жарықтыңжұтылуы барлыкмо-
лекулаларда біртекті болуы үшін ерітіндіні үнемі араластырып отыру
керек. Оптикалықтығыздығы (Д) өзгермейтін күрделі ерітінділер үшін
(2) формуланы былай жазуға болады:
= Ф7 (1-Т)^-.
л к д
(7)
Дл - фотохимиялық реакцияға қатынаскдн заттың оптикалық ты-
ғыздығы (7) тендеудегі
8АпА1
ІпІО
81
ескеріп, айнымалыны бөлектеу әдісімен ннтегралдап мынаны табамыз:
іп — = 10г8Ф/(1 ~ г) - ДаК . (8)
па \пОД
Мүндағы К — жарықталынатын заттың көлеңкеленуін ескеретін ко-
эффициент.
Жарықтын белгілі бір толқын ұзындығында үлгінің оптикалық
тығыздығын және көлеңкелену коэффициентін (К-ны) табу арқылы
ст-ны табуға болады.
Фотохимияда әсерлік спектрі деп сг-ферменттің белсенділігін
арттыратын көлденең қимасының жарықтың толқын ұзындығына
тәуелділігін айтады.
Ерітіндідегі органикалыкмолекулалардыңфотохимиялықреакция-
ның кванттық шығымы әсер етуші жарықтың толкын ұзындығына
тәуелді емес. Олай болса жексленген зат ұшін әсерлік спектрінің пішіні
жұтылу спектрімен 5(л) сәйкес келеді. ЕрІті ндідегі әссрлік спектрді
дозалыккисықаркылы аныктап, одан кейін жарықтыңжұтылу спектрі
бойынша ерітіндідегі заттың құрамын аныктауға болады. Фотобиоло-
гияда әсерлік спектрдІ тіркеудін басты мағынасы осында.
Акуыздардын фотобслсенділігінінәсерлік спектрін анықтау қиын
емес. 47-суретте трипсинлін фотоактивтенуінің әсерлік спектрі
көрсетілген. Трипсинде жұтылу спектрін тудыратын басты үшхромо-
форбар. Олар: триптофон, тирозин және цистин қалдықтары. Ақуыз-
дардың белсенділігіп арттыру үшін аминқышқылдарының үшсуі де*
маңызды ексні әссрлік спсктрден корініп тұр. Мүпда жалпы әсерлік спектр-
аминқышқылдарының жұтылу спектрлерінін қосындысына жакын.
Толқын ұзындығы 265 нм ультракүлгін сәуленін әсерінсн бакте-
риялардың өлуі де дәл осылай анықталған. Олардың спектрі нуклеин
қышқылының жүтылу спектрІне оте ұқсас болған. Сондықтан
ультракүлгін сәуленің әсерінен бактерияның өлуі нуклеин кышқыл-
дарының бұзылуы осерінен болады деп тұжырымдалады.
Біраз бөлігі қайтымды фотохимиялық процсстср, бірак караң-
ғылық сатысы соңғы эффектіден бұрын болады. Олай болса күрлелі
фотобиологиялык пронестерді (6) тендеумен анықтауға болмайды.
Сондықтан әсерлік спектрдің ферментінің белсенділігінің көлденен
кимасын (о) анықтау қиынға соғады. Осындайда ордината осінің
бойына дозаға (Дж) кері шама, барлык толқын ұзындығына бірдей
жарықтың эффективтілік мәнін (Э) саламыз: Э = !/Дж-
82
48-сурет. Фототіактивацияньін
әсерлік спектрі (/) және
трипсиннін жұтылу спектрі (2)
49-сурет. Жүгеріде мутацияның
паі-іда болуыныи әсерлік спектрі:
I — оптикалық тығыздык;
2 - улыракүлгін сәуленіңәсерінен
болатыл мутация эффективтілігі
£
—— — тәжірибенің бастапқы және соңғы уақытындағы ұрықтың
размерлерінің катынасы. 50-суреттс ордината осінің бойымен 1/МЭД
салынған. МЭД — эритемалық минимал доза, яғни минималды эрите-
ма тудыратын сәулелендіру дозасы. Осы шаманы адам денесінің күнге
күюінін, фототропизмнің, өсімдіктердің фототаксисінің, көздің
сезгіштігінін және т.б. әсерлік спектрді анықтау үшін қолданылады.
50-сурет.
Ультракүлгін сәуленің
адамныңтерісіне
эритемал ык әсері
83
Күрделі биологиялық жүйелерді зерттеулерде әсерлік спектрін
аныктауда, жоғарыда айтылғандай, көлеңкелік эффект айтарлықтай
қиыншылық туғызады. Оған мысал ретінде адамның және жануар-
лардың терісінде өтетін фотобиологиялық процестерді жатқызуға бо-
лады. Терінің сыртқы қабатында жұтылған жарық ұлпаның хромофо-
рына ғана жетеді, одан ары қарай эритеманың әсерлік спектрін тіркеуге
кері әсер ететін көлеңкелік эффект пайда болады.
51-сурет.
Үйрек балапандарының
жыныстыкжетІлуіне
фотопериодтык өзгерістің
әсерлік спектрі
Гипоталамуска фотостимуляциялық әсер еткенде үйрек балапан-
дарының жыныстық жетілуінін фотопериодтық стимуляциясыныг^
әсерлік спектрі 51-суретте берілген. Жарық гипоталамусқа жету үшін,
алдымен бастың ұлпаларынан өтуі керек. Сондықтан көлеңкелендіру
эффектісінің ықпалы зөр болады. Снектрдің максимумы жарықты
өткізудің ең жаксы облысына келсді — ол қызыл жарық. Әсерлік спектр-
ді оеылай аныктау әдіеі тұрмыста жарықталыну режимін анықтауға
мүмкіншілік береді.
§17.2. Бастапкы фотоөнімдерді аныктау әдістері
Фотохимиялық реакциялардың бастапқы өнімдері (электронды
қозған күйдегі молскулалар және бос радикалдар) өте тұрақсыз болып
олар бастапқы күйіне қайтадан өтуі немесе тұракты фотоөнім түріне
отуі мүмкін. Сондықтан ерітінділерді сәулелендіргенде бастапқы фото-
өнімдердің (фотопродукциялардың) таралымы өте аз болып, оларды
карапайым физико-химиялық әдіспен анықтау мүмкін болмайды.
84
Фотохимиялық реакцияны кысқартылған түрде былай көрсетуге
болады:
А* А —- е
Мұндағы А' — фотореакцияға түсетін бастапқы фотоөні.м; В — тұрак-
ты фотоөнім; Кр К2, К3 - мономолекулалыкреакцияғасәйкес келетін
жылдамдықтар тұрақтысы. БелгІлі бір уақыт аралығында А' өнімнің
жинақталуын анықтау үшін мынадай дифференциалдықкинетикалық
тендеу қолданылады:
Қалыпты жағдайда сәулелендіргенде А'-тің таралымының озгеру
жылдамдығы өте аз болады, яғни
Жарык реакциясы әсерінен ертіндіде А'-дІң пайда болу жылдам-
дығын (5) және (6) формуланың негізінде анықталған мына формула-
мен анықтауға болады.
<7/
= ^[//] = 4ФДЛ] = 4ДЛ].
Осыдан
РП =_
[Л]
(9)
Бұл теңдеуден А' тұрақсыз фотоөнімнің салыстырмалы таралымын
өсіру үшін әсер етуші жарықтың Іо — интенсивтілігін немесе қараңғы-
лық процесінін жылдамдығын (К2және К3) азайту керек.
Бастапқы фотоөнімді аныктауға арналған әдістеме ол — импульс-
ты фотолиз әдістемесІ. Бұл әдістемеде үлгі күшті жарықпен жарықта-
лынады. Ол үлгі молекулаларының көпшілігін бір уақытта қозған күйге
өткізеді, Пайда болған қозған фотоөнімдердің спектрін анықтауға бо-
лады. Олар бірнеше микро немесе миллисекунд аралығында жоғалып
85
кетеді. Осындай өнімдерді аныктау және оларды талдау олардың жа-
рықты жұту спектрін және «өмір сүру» уақытын өлшеу арқылы жүр-
гізіледі.
Импульстік фотолиз әдісІ қалыпты тсмпературада ерітіндіде три-
плетті молекулалардың жойылуын тікелей бақылауға мүмкіншілік
береді.
ИмпульстІк фотолизбел қатар импульстік радиолиз әдісі де қолда-
нылады. Екі әдіс те импульстік қозу принципіне нсгізделген: фото-
лиз әдісінде үлгіге бірнеше миллисскундтык жарқылмен әсер етсе,
импульстік радиолиз әдісінде иондағыш радиапия қолданылады. Ион-
дағыш радиация әдісінде иондағыш сәуленің жүтылуы зерттелінетін
заттың химиялык құрамына тәуелді болмай, сол ЙТзтада жылдамдығы
үлкен электрондарды тудырады. ЕрІтіндігс түскен сәуле тек еріткіште
ғана жұтылады. Соның нотижесінде бастапқы онімдер қозған күйге
өтіп бос радикалдар пайда болады. Сопдыктан радиолиз әдісі заттың
триплетті күйін зерттеуде қолдануга аса колайлы.
Фотохимиялықрсакциялар өнімдерін аныктау үшін радиолиз әдісі-
мен катар ұлгілердіңтемпературасын төмсндету әдісі де колданылады.
ҮлгІлердін температурасын сұйық азотпен (- 180°С) төмендеткенде
қаранғылыкреакциялары өте баяу өтеді, тіпті болмауы да мүмкін. Бірақ
бастапқы фотохимиялық реакцияларға төменгі температура әсер ет-
пей, олар бұрынғы оң температурадағыдай өте береді.
Төменгі температурадағы фотолиз әдісі акуыздағы алғашқы фото-<
химиялық процестерді зерттеуде қолданылады. Соның нәтижесінде
ароматты және күкіртті аминкышқылдарының механизмі анықгалды.
Егер триптофанның немесе тирозиннің ерітінділсрін сұйық азот тем-
ператураеына дейін (-180’С) төмендетіп, оны ультракүлгін сәулемен
сәулелендірсе үлгі көкшіл-күлгін түскс боялады:жарык 600 нм толқ-
ын ұзындығында максимум жұтылады. Осы жұтылу нәтижссінде
сольваторлы электрон е~ пайда болады. Ол электрон фотоионизация
реакциясы кезінде аминқышқылының молекуласынан бөлініп шығып
еріткіштің матрицасында жұтылады. Оны тек жұтылу спектрімен ғана
емее, ЭПР (электрондық парамагниттік резонанс) әдісімен де анық-
тауға болады. Сольваторлықэлектронның жинақталуымен қатар трип-
тофон мен тирозин фотолизденеді.
86
триптофан
радикйлы
тирозин
радикалы
С00“
фенилаланин
радикалы
соо-
фотолиз және радиолиз нәтижесінде туындаған спектр бойынша
фотоөнімдерді ингибитор көмегімен анықтау аса тиімді. Мысалы, инол-
дың антиоксиданттарының Е витаминінің және баска қосылыстар-
дың ионизациялык қабілеттері өте төмен. Оларда бос радикалдарға
электронның ауысуы жеңіл. Соның нәтижесінде бос радикалды реак-
цияны ингибациялайды.
Цистеин, цистин, К1\ЮГ N0 электрондар тұрғысынан қарағанда
ұксас. Олар сольваторлық элетрондарды қармап, реакцияларды ұтым-
ды ингибациялайды.
ПарамагниттІ иондар (Мп2+, ]Чі2+, Со?+, Ғе2+ және т.б.) қозған
триплетті күйдІ өшіреді.Ондай қасиет парамагнитті емсс иондарда (7п2+,
Са3+) жоқ.
Ингибиторлық анализ күрделі жүйелердсгі, мысалы терідсгі, ішкІ
ағзалардағы және т.б., фотобиологиялык процестсрді зерттсуде кеңінен
қолданылады.
§17.3. Бос радикалдар
Паули принципібойынша бір электрондықэнергетикалықдеңгейде
спиндері қарама-қарсы екі электрон ғана болады. Белгілі бір шартқа
сәйкес келгендс осы электрондардыңбіреуі ұшып шығуы мүмкін. Бос
радикал деп жұбы жоқ электроны бар молекуланы немесс молекула-
ның бір бөлігін айтады.
Бос радикалды химиялыққосылыстардың немесе сол заттың шарт-
ты белгісінің үстіне қалың нүкте қойып белгілейді. Мысалы, тиро-
зиннің нейтрал радикалы былай белгіленеді.
0— \ — сн— сн - соо
цн3
87
Супероксиданионрадикал — О2;
Тирозиннің катион радикалы
+но— — СН — СН — СОО”
2 |
кн*
Химиялық тұрғыдан кдрастырғанда жұпсыз электронның болуы
молекулада бос валенттілік туғызады. Ондай молекулалар химиялық
реакцияға тез түседі. Сондықтан бос радикалдардың реакциялық қа-
білеті зор болады.. Бос радикалдардың тағы бір ерекшеліктері — жеке-
ленген электрондардың магнит моменттері болғЯЙ^тан олар пара-
магнитті болып, тізбекті реакция туғызады.
Биологиялық жүйеде бос радикалдардың бірнеше типтерін қарас-
тырады.
Судың бос радикалы. Жасушада тотығу реакциясы өткенде, мыса-
лы, Ғе-+-те Ғе2+тотықканда, электрон молекулалык оттегіне косылуы
мүмкін. Соның нәтижесінде электрондарды немесе протондарды
(орта су болса) косып алып химиялыктүрленуге әкелетін бос радикал
(супероксид) пайда болады.
ЦН . Се _>н+ V .
^НО2 -^НО2 -^Т-Н.О^ОН+ОН -
_} _-Н,0 1 »- І.и-
—^'дн- -он^-^-н?’0 .
Мұндағы НО, гидрототықты радикал; Н2О2 — сутегі тотығы;
'ОН — реакцияға түсуге қабілетті гидроксильді радикал; ОН“ — гид-
роксиль ионы.
Иондағыш радиациямен және ультракүлгін сәулемен әсер еткенде
ароматты және күкіртті коспасы бар ақуыздарда жөне пиримидиндік
негіздегі нуклеин қышкылында бос радикалдар пайда болады. Трип-
тин үшін реакцияның схемасы мынандай:
88
клтіюн-р адикп.п
немесе қысқаша былай жазуға болады:
АН + Һ V —> АН* -> АН+ + е- —> А + Н+ + е-.
Алғашқы мезетте катион-радикал күшті кышқыл болып, нейтрал
радикалды (А)тудырыптез диссоцияланады. Сольваторлықэлектрон-
ның химиялық реакцияға түсу мүмкіншілігі аса үлкен болғандыктан,
ол химиялыкреакцияға тезтүседі. Мысалы, е- ақуыз цистинімен әсер-
лескенде акуыздың дисульфидті көпіршесін үзеді де, цистеиннің бос
радикалы пайда болады:
Кі - 5 - 3 - + е~ -+Ец-АЗ - 3)\Н2 ~+Кі + 8’ + 8
^ци^тейн^ цистеиннің цисте^ш цистиннің
анион-радикалы радикалы
¥лпа радиациямен зақымданғанда және ультракүлгін сәуленің
әсерінен күйгенде бос радикалдар маңызды рөл аткарады. Сольватор-
лықэлектрон О3-мен әсерлесіп аса күшті оксидрадикал (супероксид-
радикал) тудыруы мүмкін. Осындай бос радикалдар ДНК-да, ДНК
арасында және ақуыздарда коваленттік байлам тудырады.
Хинондардың бос радикалы. Биологиялық қышқылдану — қдлпына
келу реакциясы екі электронның орын ауыстыруынан болады. Ол
қышқылдану және қалпына келу күйінің арасында бос радикаддар
пайда болатындай екі сатыда өтеді:
Л + е’ + Я+-> АН —*-^->АН2
+ Н*
89
Осы процестер биологиялык қышкылдану тізбегінде өтетіні дәлел-
денген. Радикал формасы арқылы гидрохинонныңхинонға дейін қыш-
қылдануы жоғарыда айтылғандай сатыда өтеді. Осыны Миха Эллис
семихиноны дейді:
Гидро/тинон Семихннон Хинон
Митохондрийдің тыныс алу тізбегінде осы типті радикалдар элект-
рондарды тасымалдауға қатынасады. Олар липидтердің бос радикалда-
рымен фенолдықантиоксиданттардыңөзара әсерлссуінен пайда болады.
Липидтердің бос радикалдары. Биологиялық мембрананың негізгі
элементтерінің бірі — ол фосфолипидтер. Бос радикалдар тізбегімен
қышқылдануға мүмкіншілігі бар канықпаған май қышқылдары фос-
фолипидтер молекулаларының құрамына кіреді. Тізбекті реакцияның
ерекшелігі мыиада: бос радикалдар басқа молекулалармен әсерлескен-
нен кейін жоғалып кетпейді, баска бос радикалдарға айналады.
Иондар мен басқа молекулалар үшін биологиялық мембраналар- %
дың бөгеттік қызметінің бұзылуы алдымен фосфорлипидтердің қыш-
қылдануынан болады. Терінің УК — эритемасы, көзді жарықта күйік
шалуы, радиациялық әсер, төртхлорлы көміртегімен улану және т.б.
ағзаның патологиялық процестері липидтердің босрадикалдык қыш-
кылдануынан болатыны дәлелденген.
Қаныкпаған липидтердің тотығуының босрадикалдык реакциясы-
ның схемасы төменде көрсетілген. Липидтердің босрадикалдық то-
тығуы тізбекті қоздыру (О) реакциясынан басталады. Қоздырушы
ретінде босрадикалдар, мысалы амин қышқылдарының, судың бос
радикалдары және т.б. болуы мүмкін. Одан кейін тізбекті жалғастыру
(1 жөне 2) реакциясы өтеді. Ары қарай гидрототықтар ыдырап, жаңа
тізбектер туғызатын тармақтандыру реакциясы басталады. Тармакта-
ну УК-сәулесінің әсерінен екі валентті темір иондары бар тізбекте өтеді.
Тармақтану кейде өздігінен спонтанды өтуі де мүмкін. Радикалдар-
дың барлығы бірдей (мысалы КО2және К) тізбекті жалғастырмайды,
90
олардыңбір бөлігі бір-бірімен әсерлесіп енжар өнімдер (4, 5, 6)береді.
Тізбек осылай өздігінен үзілуімен қатар антиоксиданттар АН әсерімен
де үзіледі. Олардың ішінде ең кең тарағаны Е витамині. Мұнда оның
аса белсенді емес радикалдары пайда болады. Е витаминінің таралы-
мы неғүрлым аз болса (іп уііго ~ ІО-6 м) соғұрлым ол белсенді болады,
оның таралымы өскен сайын антиоксиданттық әсері азаяды.
КН — қанықпаған липид; К* ~ липидтің бейтарап радикалы; КО * —
радикалдьің асқын тотығы; КООН — гидроасқын тотық; ОН* — гид-
роксильді радикал; АН — антиоксидант; А* — антиоксиданттыңрадикалы.
Е витаминінің таралымы аз болғанда ол жана тізбектің пайда бо-
луына онша ықпал етпейді, сондыктан антиоксиданттар радикалда-
рымен тізбекті қоздыру реакциясының (10) ыкпалы артады. (6) реак-
ния өнімді электрондық-қозған күйге океледі. Ол өнім жарык кван-
тын (химилюминесценция) шығарады. Хемилюминесценция әдісі
диагностикада және т.б. мақсаттарда кецінен қолданылады.
тізбеіттіп жалғасы
- хірн _
О) Тізйеіггі
ксздыру
ғюон
Тізбектін ездігін+ен ұзіл^і
4) В’ + Ң" -РЕ
5) Р:С’ + П’-ПООВ
6) ПСЙ+ РО* —енімдең' -—+ еніьлдер
х еміілтоь и пне сцриціія
Аитііокі ндянтт ярмеи тізбектің үзілуі
7) АН + Р.О" --А + ГООН
э)д’+но:-—
^н',гаР •+Н|МД*?рі
Аипюк.пданттар радикалдарымен
тізбекті қоздыру
1О) А* + РН ----- АН + Р’
Қаныкпаған липидтердің бос радикалдық
тізбекті кышкылдандыруының сызбасы
91
§ 17.4. Ақуызға, липидтерге және
нуклеин қышқылдарына ультракүлгін сәуленің әсері
Жербетіндетіршілікбасталғаннанбері жасушаға дейінгі бітім және
бір жасушалы ағзаларға Күн сәулесі үздіксіз әсер етеді. Күн сәулесін
адам ағзасына және жануарларға биологиялықәсеріне сәйкес бірнеше
диапазонға бөлуғе болады.
Атап айтқанда (52-сурет):
а) инфрақызыл сәулесі (X > 750 нм) - жылулық эффект тудырады.
б) көрінетін жарық (X = 400—750 нм) - көру және фотопериодизм
в) ультракүлгін (УК) сәулесі (X = 200—400 нм) үшке бөлінеді:
- А-зонасы (X = 315—400 нм), күнге күю, Д в^Й&инін провита-
миндерден түзу, фотоаллергиялык және фототоксикалық эффект.
- В-зонасы (X = 280—315 нм) — эритема, эдема, күнге күю, көздін
күюі, канцерогеыез, Д витаминін түзу.
- С-зонасы (X = 200—280 нм) — эритема, күнге күю, канцерогенез,
мутация, бактерияларды жою эффектісі.
Ақуыздар, нуклеин қышқылдары және липидтер - тіршіліктің
басты қүралдары. Липидтердің бос радикалдарынынтотығуы §17.4-те
қарастырылған. Ол процестер УК сәулесіне сәйкес келетін болған-
дықтан медицина үшін аса маңызды. Жарықтың әсерінен липидтердің
тотығуы УК-сәуленІн әсерінен туындайтын эритема үшін аса маңызды.
92
Бұл қорытынды екІ фактіге негізделген. БіріншІден, адам денесіне
антиоксидант (Е витамині, немесе инол) жақса тері көп қызармайды
да, эритеманың минималды дозасын арттырады. Екіншіден, адам
денесіне қаныкпаған липидтер жақса онда терінің эритемалық
сезгіштігі артады.
УК сәуленің әсерінен ақуызда және нуклеин қышқылында фото-
биологиялық реакциялар жүреді. Олар ақуыздың жөне нуклеин қыш-
қылының кұрамын бұзады. Бұл фотобиологиялық реакциялар, УК
сәуленің әсеріне байланысы жоқ, қосалқы өзгерістер туғызады. Алды-
мен ДНК-ның құрамын және ақуыздардың болмысын өзгертеді. ЕкІншІ
өзгеріс, болмысы өзгерген ақуыздарды жасушалық ферменттердің
ыдыратуының әсерінен болады. Ыдырау өнімдерІ күрделі рефлектор-
лықреакцияға келтІретін нерв үштарын тітіркендіреді.
УК сәулемен ақуыз ерітіндісіне әсер еткенде ерітіндінің мөлдірлігі,
тұтқырлығы, центрифугада тұну жылдамдығы, поляризацияланған
жарықтың таралу жазықгығын бұру касиеттері өзгереді. Қорыта айт-
қанда, ақуыздың қүрылымының бұзылуы накты байқалады. Ақуыз-
дың кұрылымы бұзылса, онда оның ферментативтік қасиеті де бұзы-
лады, одан кейін жойылып та кетеді. Биологиялықбелсенді ақуыздар
мен полипептиттерге УК сәулемен әсер етсе, онда ферменттердің, гар-
мондардың, антибиотиктердің биологиялықбелсенділігі бірнеше ми-
нут ішінде кемиді.
Осы процесс бірнеше сатыда өтеді:
1. Белсенді сатысы — жарыктың жұтылуы және аминқышқылда-
рының АН молекулаларының қозуы:
АН + Й V, -> АН*.
Бұл процесс кайтымды, яғни козған молекула бастапқы күйіне
жарық квантын босату арқылы келеді,
АН* > АН I V,.
Стокс заңы бойынша .
2. Фотоиондану сатысы — қозған молекула түрақсыз болып элект-
рон мен ион-радикалға ыдырайды:
АН*-> АН++е’.
Электрон басқа молекулалармен көпшілік жағдайда, су молекула-
ларымен қар.малады. Ион-радикал орнықсыз құрылым болғандықтан
бос радикалға және сутегі атомының ядросына (протон) ыдырайды:
93
А I]' > .А I I]'.
3. Радикалдармен сольваторлықэлектрондардың пайда болу саты-
сы бірнеше бағытта болады:
а) Пайда болған аминқышқылынын радикалы А ақуыз молекула-
ларының пептидтік тізбегінің көршілес буындарымен әсерлеседі. Ол
акуыз молекулаларының конфигурациясын өзгертеді. Химиялык
тұрғыдан қарағанда радикалдар өте белсенді, сондыктан олардың
байланысы орныкты болады;
б) Аминқышқылының бос радикалы оттегімен әсерлесіп амин-
қышкылының асқын тотығын құрайды:
А + О, -> А ОО; ***
в) Солъваторлықэлектрон аминкышқылын қалпына келтіруде аса
зор роль атқарады. Сутегінің ионы-протои, химиялықтұрғыдан қара-
ганда, ол да белсенді. Олар ақуыз молекулаларынын аминкышкылдық
қалдықтарымен әсерлеседі. Соның нотижесінде аммиак пен амин-
қышкылынын радикалы кұралады:
ҒГ + е + НрМ - К -> 1ЧН3 + Н .
Осы процестің әсерінен белок молекулаларының тізбектерІ ыды-
райды.
4. Тотығудың орнықты өнімін кұру сатысы. Аминқышкылының
барлық радикалдары көптеген заттармен әсерлеседі. Реакцияның бір
циклы өткенде тотығудын уландырғыштык касиеті бар өнімдері пай-
да болады. Бұл өнімдер акуыз молекулаларымен әеерлесіп, олардың
құрылымын бұзады.
Нуклеин қышқылының азоттык негізі ультракұлгін сәулені
(-260 нм) жұтады. Сол себепті олар УК сәулемен сәулелендіргенде
фотохимиялықтүрленуге мәжбүр болады. УК-сәулемен әсер еткенде
жүретін реакциялардын ішіндегі ең маңы.здысы мыналар: фотохимия-
лыктотығу, фотохимиялықсулану және фотодимеризация. Фотонның
әсерінен екі азоттық негіздің арасында өтетін орнықты химиялық
байланыс түзетін реакцияны фотодимеризация (ди-қос, мер-өлшем)
немесе қос өлшемді реакция дейді.
УК-сәуленіңәсерІнен нуклеин қышқылдары биологиялықбелсен-
ділігінен айырылады, яғни олар информацияны тарата алмайды. Бұл
жағдайда ДНК-ны белсенді ету үшін тимин негіздерІ басты рөл атқа-
рады. Тимин негІздерін димеризациялау процесі басқа фотохимиялык
94
реакциялардан бурын өтеді. Сулану және тотығу негіздері жинақтал-
май тұрғанның озінде ДНК-нынбелсенділігі арта бастайды. ДНК-ның
қос спиральдегі тиминнің екІ молекуласы қатар тұрмайды, тІпті олар
карама-қарсы да орналаса алмайды. Соңдықтан осы реакцияны диме-
ризациялану деп атайды. УК сәуленің әсерінен ДНК талшықтарының
жергілікті таралу пронесі басталады. Содан кейін талшықтар иіле келіп
тимин негіздерін жақындастырады.
УК сөуле бактерияларды тұрақтандыруда және бактерияларды
жоюда үлкен әсер етеді. УК сәулемен сәулелендіргенде бактериялар
мен вирустардың белсенділігі басылады, көбеюге мүмкіншілігі бол-
май, соңында қырылады. УК сәуленің бактериялар мен вирустарға
әсері осы организмдердегі белсенділік процесінің әсерлік спектрін
зерттеген кезде аныкталады. Олардың спектрі нуклеин кышқылының
жұтылу спектріне өте үқсас. Сондықтан УК сәуленің әсерінен бак-
терияның өлуі нуклеин қышқылдарының бүзылу әсерінен болады деп
түжырымдалған.
УК сәуленің бактерицидтік әсері емдеу ісінде және аурудың
алдын алу ісінде кеңінен қолданылады.Ультракүлгін сәулемен сәуле-
лендірудің ролІ адам денесінің иңфекцияға ұшыраған бөлігін емдеуде
түрліше заттарды залалсыздандыруда, тағам өнімдерін өндеуде және
т.б. аса зор.
Адам ағзасын қысқа толқынды УК сәулемен үлкен дозада сәу-
лелендіру зиянды әсер етедІ. УК сәулемен белгілі бір шамамен
сәулелендірсе, онда ағзаның иммунитетін арттырады.
Ультракүлгін сәулемен сәулелендіргенде 7,8-дегидрохолестерин мен
эргостериннен Д витаминінің қүрылуы аса маңызды. Адам терісін
сәулелендіргенде сакинаның қос байламын үзеді. Соның нәтижесінде
сол витаминнің мешелдікке қарсы қасиеті пайда болады.
§ 17.5. Фотореактивация
Жасушада нуклеин қышқылының зақымдануымен қатар басқа да
маңызды фотобиологиялық процесс өтеді. Ол процесті фотореактива-
ция дейді.
Толқын ұзындығы 300-500 нм жарықпен әсер еткенде ультракүлгін
жарықтың әсерінен “зақымдалған” бактериялардың жасушалары қал-
пына келе бастайды.Қалпына келудің жоғарғы фазасы көрінетін
күлгін жарык пен көрінбейтін ультракүлгін сәуленің шекарасына
95
(Х=380-400 нм)сәйкес кследі. БІракбактериялардан бөлінген фермент
ультракүлгін сәулені өздігінен жұта алмайды. Жарықреакциясын ту-
ғызатын ферменттер мен пиримидин негізіндегі циклобутан димерлері
арасындағы кешеннін осерінен ғана хромофор тобы пайда болады.
Мұндай кешенде көрінетін жарық димерлердің ыдырауын тудырады.
СүтқоректІлердің жасушаларына оларды қосқанда бактериялық фер-
мент аса белсенділік корсеткеп. Кейіннен фотореакция туғызатын
фермент адам ағзасынан да бөлініп алынған. Жарықтын толкын
ұзындығы 300—600 нм болғанда лимфоциттерде фотореакция өтеді.
Рсакцияның максимумы 400 нм-гс сәйкес келеді. Сонымен фотореак-
цияның басты касиеті мынада: УК сәуленің әсерінен ыдыраған нук-
леин қышқылдары калпына келеді; ол реакция пі^Йкидин димер-
лерінің мономерлік (моно-бір, мер-өлшемдік, мұнда бастапқы деген
ұғым) күйін қалыптастырады.
§ 17.6. Фотосенсибилизацияланған фотобиологнялық процестер
Эндогенді хромофордынәсерінен биологиялықобъектілердің жа-
рықты сезгіштік қасиеті болады. Фотобиологиялык процестерге —
көру, фотомутагснез, фотоканцерогенез, эритема және т.б.жатады.
Жарыктың әсерінен көру пигментінің молекулалары, белоктар, нук-
леин қышқылдары және басқа хромофорлар қозған күйге өтеді. Кей-
де биологиялық объектілердің жарықты сезгіштігі кенет артып кетуі
мүмкін. Ол экзогендік хромофорлардың және эндогендік қосылыс-
тардың УК- сәуле жұтылатын объектіге әсер етуінен де болады.
Мысалы, адам ағзасы қорғасынмен немесе сынаппен• уланғанда,
протопорфиннің таралымы артады да, фотореакцияның өтуін жылдам-
датады.
Фотобиологияда биологиялық объектлердің жарықты сезгіштігін
арттыратын қосылыстарды фотосенсибилизаторлар дейді. Үш құрау-
шыны кажет етпейтін фотобиологиялықэффектіні (оттегі,жарықжәне
бояу) фотодинамикалық эффект деп, ондағы бояуды фотодинамика-
лықбояғыш деп атайды.
Фотосенсибилизаторларды оттегін қажет етпейтін және оттегіне
мұктаж деп екі топқа бөледі.
Оттегін қажет етпейтін топта жарықтың өсерінен фотосенсибили-
заторлардың өздері химиялық өзгеріске келеді. Мысалы, псориазды
емдегенде отгегін қажет етпейтін псорален деп аталатын, фотосенси-
96
билизатор қолданылады. Псораленмен және УКсәулемен (Х=315-400 нм)
бір сөтте өсер етіп псориазды емдеуге болады.
ПсораленнІң терапевтік әсерінің негізін оттегін кажет етпейтін
просоленніңқос валентті фосфор қосындысынын ДНК-мен реакцияға
түсуі құрайды.
Оттегін қажет етпейтін фотосенсибилизаторға тағы бір мысал
ретінде фотоаллергенді қарастыруға болады. Бұл қосылыстар әдетте
бактерияға және ұсақ саңырауқұлақтарға (грибоктарға) қарсы препа-
раттар ретінде қолданылады. Бірақ олар УК сәулені (Х=315-400 нм)
жұтып ақуыздармен фотохимиялық реакцияға түседі де аллергенді
тудырады. Аллерген макрофагтармен немесе Т-лимфоциттермен әсер-
лесіп сенсибилизация туғызады. УК сәулемен кайтадан әсер етсе, онда
Т-лимфоциттер аллергенді «біліп» оған қарсы «жауап» береді — бірде
ол анафилактикалық шок болуы, бірде астма болуы мүмкін. Осы схема
төменде көрсетілген
сенсибилиза-
зат
+
акуыз
---------5= Антиген
жарык,
жұтылады
цияланған
лимфоцит
эритема,
здема,
1 Ісіну,
экзема,
және т.б.
Оттегін қажет ететін фотосенсибилизаторды фотодинамикалық
қосылыс деп те атайды. Бұл қосылыстар жарық квантын жұтып, три-
плетті қозған күйге (Ат) өтеді де, одан кейін оттегінің молекулалары-
мен әсерлеседі. Осы әсердің нәтижесінде оттегі синглетті қозған күйге
(О2) өтеді:
'Л I I -
А — >А ------->А-----~>А + О2
Ол қозбаған оттегіге қарағанда жүздеген есе әсерлі болып, липид-
терді, ақуыздарды және басқа биомолекулаларды тотықтандырады. Бұл
топтағы сенсибилизаторлар, кейде, супертотық — анионрадикалдарды
О2-ге электрон өткізу арқылы тудырады:
А +У-»А*-^>А + д;
қалай десе де бұл топтағы фотореакциялар оттегінің қатынасуынсыз
өтпейді.
97
Мьісал ретінде протопорфириндІ қарастыруғаболадьі. ПорфириннІң
биосинтезі бұзылғанда адам ағзасында оның таралымы артады.
Протопорфирин көк -жарыктың әсерінен козған күйге өтедІ, соның
нәтижесінде ('О2) пайда болады. ОттегІ каныкпаған липидтерді тотық-
тандырып, биомембраналардың өткізгіштік касиеттерін арттырады. Соны-
мен қатар акуыздардың көпшілігі белсенді күйге өтіп, мембранадағы
спектрин ақуызы полимеризацияланады. Егер науқастарға күн сәулесі
әсер етсе, онда эритема және эдема пайда болады. Сондыкдан ондай адам-
дарға протопорфиринде жұтылмайтын сары жарыкпен әсер ету керек.
Жарық сезгіш заттардың барлығы да фотосенсибилизатор емес.
Мысалы, билирубин — ол гемоглобин ыдырағанда пайда болады. Бірақ
фотолиз әсерінен фототоксикалық және фотоллергІНцшқ әсер туғыз-
байды. Сондықтан перзентханаларда нәрестелердің сары аурумен
ауырып қалмас үшін фототерапия қолданылады. Бұл әдісте билиру-
бинді ыдырататын көк жарыкпен әсер етеді.
§ 17.7. Терідеғі фотобиолоғиялық процестер
Күн сәулесі спектрінің диапозоны ішінде адамға ең күшті әсер
ететін сәуле ол - ультракүлгін сәуле. УльтракүлгІн сәуленің басты
нысаны — адамның терісі, өйткені ол сәуле теріден кейінгі қабаттарға
өте алмайды. Ультракүлгін сәуленін фототоксикалық және фотоал-
лергиялық қасиеттерінің кейбір мәселелері§17.4-те қарастырылған.
Фотохимиялық процестер адамныңтері қабатында өтетін болған-
дықтан терінің құрылысын қысқаша қарастырайық (53-сурет).
Адам терісінің қалындығы 0,07—0,12 мм эпидермистен, 1—2 мм
дермадан (терінің өзінен) тұрады. Эпидермисте УК көп мөлшерде
жұтылады. Эпидермис — ол эпидермальдық жасушадан — кератино-
циттерден тұратын көп қабатты эпителий. Сол қабаттарда нейроэкто-
дермальды негіздегі жасушалар — меланоцидтер бар.
Кератиноциттер бір-біріне параллель (5) кабаттан тұрады. Әр қабат-
тың қызметі әртүрлі. Дермаға (5) базалыққабат (4) жабысып.оған шеге
тәріздес қабатжалғасады (3). Осы шегетәріздес қабатқа жылтыртүйір-
шіктерден тұратын базалық(2) кабат жалғасып мүйіз (1) қабатпен шек-
теледі. Базалық қабатта жасушалардың пішіні таяқшаларға ұксас бо-
лып келедІ де,эпидермистің өсуін қамтамасыз етеді.Түйіршікті жасу-
шалар тығыз орналасады және оларда кератогиалиннің түйІршіктерІ
болады. МүйІз қабат (1) жазық кератиноциттерден тұрады.
98
53-сурет. Эпидермистің құрылысы:
1 - мүйіз қабат; 2 - базалык
қабат; 3 — шеге тәріздес қабат;
4 - базалык қабат; 5 — дерма т.б.
жасушалар типтері орналасқдн
Эпидермистен кейін қосқабатты дерма жатады. Ол қабаттар —
емізікше (сосочковый) және торлық (ретикулярлық) кабаттар. Жоғар-
ғы емізікше (сосочковый) қабат коллагендік, эластиндық, бұлшық-
еттік, нерв талшықтарымен және қантамырларымен тұтасқан жұмсақ
байлам ұлпаларынан тұрады. Ретикулярлық қабатта майлы (тучные)
және т.б. жасушалар типтері орналасқан. Адам терісінде жарықты жұ-
татын заттардың қосындысы аса көп. Ол қосындылар ақуыздар, нук-
леин қышқылы, пигменттер және т.б. Сондықтан жарықтың шашы-
рауы, шағылуы және жұтылуы саддарынан жарықтың оптикалық күші
кемиді. Мысалы толқың ұзындығы X = 315 нм УК сәуле эпидермисте
толығымен жұтылады.
Эритема
Эритема — қантамырларының диаметрлерінің үлкею нәтижесінде
болатын терінің қызаруы, немесе оны гиперемия дейді. УК сәулемен
әсер еткенде пайда болатын эритеманың сипаты — әсер етуші сәуленің
толқын ұзындығына байланысты болады. Соған байланысты адам
терісіне өтетін фотобиологиялық процестерді тудыратын УК сөулені
толқын ұзындығына байланысты үшке бөлуге болады: УКА (320—400 нм)
УКВ (280—320 нм) және УКС (200—280 нм) УКА сәулесімен әсер
еткенде эритема бірден байқалады. СөулелендІру дозасы -130 кДж м 2
болғанда тері бірнеше минуттың ішінде қызарады. УКА эритеманың
99
түсі күлгін түске жақын. Ол дерманың теренде жатқан тамырлары-
ның кеңеюін көрсетеді.
УКВ эритема УКА эритемадан бөлек. УКВ эритемадан бұрын
латентті кезені болады. Латентті кезең 8—10 сағаттан артпайтын сәу-
лелендіру дозасына кері шама. УКВ эритеманың ұзақтығы дозаға тікелей
байланысты. Терінің аса қатты қызаруы 8—10 сағаттан кейін байқала-
ды. УК сәуленің дозасы көп болса онда латентті кезең қысқарады.
Адам денесінің әртүрлі учаскесі үшін сәулелендіру дозасы да әртүрлі
болады. Мысалы, күнге күймеген кеуде үшін эритема туғызатын ең аз
доза 210 Дж м-2 , ал аяқ үшін — 780 кДж-м'2.
УКС эритеманың, УКВ эритема сиякты, 8—10 сағаттан аспайтын
латентті кезеңібар. Бірақолардыңәсерлері әртүрлі.^йы^алыУКВсәу-
лесімен эритема туғызатын ең аз дозаны 10 есе арттырғанда дене қол-
дырап күйеді — эдема болады. Ал УКС болса кез келген дозада теріні
күйдірмейді, ол тек қызарған эритеманы тудырады.
Эритеманың биофизикасын былай түсіндіруге болады. Теріде
канықпаған майлы қышқылдардан простагландиндерді құрайтын фер-
менттер жүйесі бар. УКВ сәулесімен сәулелендіргенде эпидермисте
простагландиндер бірден пайда болады. Простагландиндер қан тамыр-
ларына тікелей әсер етіп оларды кеңейтедІ.
Сондықтан алғашқы уақытта липидтердің пероксидациясы басты
роль атқарады. Одан кейін липидтердің тотығу реакциясы проста-
гландиндердің түзілуін белсендіреді. Одан кейінгІ уақыттарда (~20—
24 сағат) процесс простагландиндердің катысуынсыз әтеді.
Терінің түсінің өзгеруі (пнгментацнясы)
Терінің түсінің өзгеруі (пигментациясы) — меланин пигментін құ-
райтын теріні жарық сәулесінен түрліше тәсілдермен қорғайтын фо-
тобиологиялық процесс. Біріншіден — пигмент фотондарды жұтып,
әсер етуші сәуленің интенсивтілігін азайтады. Екіншіден — теріні
сәулелендіргенде пайда болатын бос радикалдарды қармап алушының
ролін меланин атқарады. Меланин темір иондарын жинақтайды. Темір
иондарды липидтердің пероксидті тотығуын азайтады. Олай болса
меланин липидтердің пероксидті тотығуы реакциясын және басқадай
бос радикалдарды тежейді.
ТерінІң түсінің өзгеруінің екі процесі бар. Біріншісі — тері түсінің
қосалқы өзгеруі. Ол эритемадан 2—3 тәуліктен кейін басталады.
100
Екіншісі — тері түсінің тікелей өзгеруі, ол сәуленің әсерінен бірден
пайда болады да 15—20 сағаттан кейін азаяды.
Адам терісініңтүсінің қосалқы өзгеруі (қосалқы пигментация) УК
сәулесінің әсерінен меланинді синтездейтін аса күрделі фотохимия-
лык реакция өтеді. Бұл өзгеріс толкын ұзындығы X < 320 нм сәуленің
әсерінен болады. Меланиннің пайда болуы ферменттердің және су-
пероксиданиондар мен бос радикалдардың қатынасуымен өтеді.
Меланиннің синтезі меланоциттердің арнайы органеллаларында
өтедІ. Адам терісінің түсінің тікелей өзгерісі (тікелей пигментация)
терінің түсін онша көп өзгертпейді. Тікелей өзгеріс УК сәуленің тол-
қын ұзындығы 300—400 нм болғанда өтеді. Оның механизмі мынада:
УК сәуленің әсерінен меланин ыдырайды. Ол алғашқы меланинннің
орнына келген басқа меланинді алғашқы меланиндей ету үшін фото-
химиялық реакция өтеді. Мұнда меланиннің орнына басқа меланинді
қалпына келтіру, яғни меланин — меланин принципі жұмыс атқара-
ды. Бұл процесс мелоноциттерде семихинондарды түзу аркылы жүреді.
Сонымен қатар тері түсінің тікелей өзгерісІ меланостардың қозғалы-
сының меланоциттердің қозғалысымен сәйкес келуінен болады. Бұл
процесс микротүтікшелер мен микрофенаменттердің катынасуымен
өтеді.
Фотокаицерогенез
УК сәуле әсерінен адам терісінде рак ауруы пайда болуы мүмкін.
Ісік кәпшілік жағдайда дененің ашық жүретін учаскелерінде (бетте,
қолдың сыртында, мойында) болады. Фотоканцерогенез — адам денесін
үздіксіз УК сәулесімен өсер еткенде болады.
УК сәулемен ұзақ уақыт әсер еткенде теріде холестерин тотығы-
ның канцерогендік өнімі көбейеді. Ол өнімдер — холестерин 5а және
ба-эпоксил. Олармен қатар липидтердің фотототығуының нәтижесінде
пайда болған басқадай өнімдер де болуы мүмкін.
Терінің рак ауруын 3,4-бензопериннің канцерогендік қосындыла-
ры да қоздырады. Бензопирин ДНК-мен фотохимиялық жолмен
әсерлесіп жасушалар мембранасын фотодинамикалық жолмен бұза-
ды. Бірақбұл байланыс бұдан да күрделі, механизмі әлі толыкбелгісіз.
101
ІУ-тарау
ГЕМОДИНАМИКАНЬЩ БИОФИЗИКАЛЫҚ НЕПЗДЕРІ
§ 18. СҰЙЫҚТАРДАҒЫ МОЛЕКУЛАЛЫҚ ҚҰБЫЛЫСТАР
Сұйық күй-газ тәрізді күй мен кдтты күйдің арасындағы аралық
күй, және бұлардың екеуімен де оның ұқсастығы бар. Заттың сұйық
күйінен газ күйіне өту температурасын өтпелІ (кризистік) температу-
ра немесе өтпелі (кризистік) нүкте деп атайды.
Кризистік нүктёнің маңында газ бен сұйыктың я^жіңляғы айыр-
машылық өте аз, сондықган сұйықты белгілі бір дәрежеде тығыз газ
деп есептеуге болады. Бірақ кризистік температурадан едәуір төмен
температураларда заттың сұйық күйі мен газ тәрізді күйінің арасын-
дағы айырмашылық үлкен болады. Көптеген сұйықтардын қанықты-
ратын буының бөлме температураларындағы тығыздығы сұйықтың өз
тығыздығынан мыңдаған есе аз болады.
Молекула — кинетикалықтеориятұрғысынан қарағанда заттың газ
тәрізді күйі молекулалардың орташа аралығы үлкен болатындығымен
сипатталады. Газ молекулаларының жылулық қозғалысы олардың өз
өлшемдерінен бірнеше есе артық болатын еркін жолдарының бойын-
дағы еркін қозғалысы болып табылады. Газдардағы диффузия айтар-
лыктай жылдам болады. Сұйық молекулалары, газдардікіне қараған-
да, біріне-бірі едәуір жақын орналасқан. Сұйыкмолекулаларыныңөзара
әсер күштері үлкен болады. Диффузия газдарға қарағанда сұйықтарда
әлдекайда шабан болады. Мұнымен қатар сұйық кұрылысының, іс жү-
зінде диффузия құбылысы жоқ деп есептелетін, қатты дене құрылы-
сынан үлкен айырмашылығы бар. Катты денедегі әрбір бөлшек (атом,
ион) өзінін тепе-тендік кдлпыныңтөңірегінде тербеліп тұрады, ал қатты
кристалдың идеал торында бөлшектер болуы мүмкін «орындардың»
бәрі де толы болады. Сұйықтың құрылысы катты денеге қарағанда
«борпылдак» келеді, онда бос жерлер-«тесіктер» болады, сондықтан
сұйыктың бөлшектері өзінің тұрған орнын тастап, көршілес бос
«тесіктердің» біреуіне барып орналаса алады.
Газда молекулалардың арасындағы тарту күшін жеңуге олардың
(молекулалардың) жылулық қозғалысының орташа кинетикалық
энергиясы жеткілікті болады; осыданбарып газдын молекулалары жан-
жаққа бытырап ұшып, газ өзі алып тұрған көлемге тегіс таралады.
102
Сұйыктарда керісінше, молекулалардың жылулык қозғалысының
орташа кинетикалық энергиясы ілінісу күштерін жене алмайды.
Осының нәтижесінде сұйық белгілі бір көлемге ие болатын дене бо-
лып табылады. Сұйықтан жылдамдығы ең үлкен молекулалар ғана
ұшып шыға алады да, осының салдарынан сұйық буға айналады.
Сұйықгарда диффузия құбылысының шабан жүретіндігі, сондай-
ак газдардікіне карағанда сұйықтардың тұткырлығы үлкен болатын-
дығы сұйык молекулалары козғалысының осы жоғарыда көрсетілген
сипатына байланысты болады. Газдардағы ішкі үйкеліс (тұтқырлық)
молекулалардың жылулық қозғалысының есесіне бағытталған қозға-
лыс мөлшерінің қабаттан қабатқа ауысуынан болады. Сұйықдарда ішкі
үйкелістің осы механизмімен қатар қозғалыс мөлшерінің, біріне-бірі
тиісіп тұрған серпімді шарлар қатарының бойымен берілуі сияқты,
молекулалардың біріне-бірінің соғылуы арқылы берілуіне байла-
нысты болатын екінші бір механизмі бар. Молекулалардыңөзара соқ-
тығысу саны олардың арасындағы бос көлемге кері пропорционал бо-
лады, олай болса сұйықтардың тұтқырлығы да осы бос көлемге кері
пропориионал болады. Сұйықтың бір грамм-молекуласындағы бос
кәлем И, Ь айырмаға тең; мұндағы Қ, — сұйықтың грамм-молекула-
лық көлемі, Ь — молекулалардың біріне-бірі тығыз тиісіп тұрғандағы
көлемі. Осының негізінде сұйықтың тұтқырлығы мынаған тең деп
айтуға болады:
Мұндағы С — тұрақты шама. Бірінші рет А. И. Бачинский ұсынған
бұл формула тұтқыр сұйықтардың көпшілігіне жаксы қолданылады.
Сұйык молекулаларының жылулық қозғалысының жоғарыда
айтылған сипатына сүйеніп, Я. И. Френкель сұйық тұтқырлығының
температураға байланыстылығы мынадай формуламен өрнектелетін-
дігін көрсетті:
г)-А-ект .
Мұндағы АГ — әрбір молекула тұратын потенциал шұңқырының
тереңдігі. Бұл формула да бірсыпыра жағдайларда жеткілікті дәреже-
дедәл қолданылады.
Сұйықтың ішіндегі молекуланың потенциялык энерғиясын оның
сыртындағы молекуланың потенциялық энергиясымен салыстыра
103
отырып, сұйықтың қасиеттерін басқа тәсілмен көрсетуге болады.
Сұйық бетінің қабаты оның тұтас көлеміне қарағанда басқа жағдайда
болады. Молекуланьг сұйықтың Ішінен сыртқа шығару үшін белгілі
бір потенциялықкедергіні жеңуге, яғни белгілі бір жұмыс істеугетура
келеді. Молекулалардың жылулық қозғалысының орташа энергиясы
бұл жұмысты орындауға жеткіліксіз болады, сондықтан сұйықөзінін
көлемін сақтайды.
Нақты газдардың қасиеттерін қарастырғанымызда, тартылыс
күштерінің болуына байланысты, газдың шекараларындағы молекула-
лар газдың ішіндегі молекулалардан басқаша жағдайда болатындығын
көрдік. Тап осы құбылыс сұйықтарда да болады.
§ 18.1. ЕрІтІндІлер. Осмостық қысым
Жалпы алғанда қатты заттар сұйықта еріп, онымен бір текті орта
жасайтындығы белгілі. Алайда ерітінді бірімен-бірі реакцияласпайтын
газдардың қоспасы сияқты, қарапайым қоспа емес. Д. И. Менделеевтің
1865-1887 жылдары жүргізген көп зерттеулері ерітіндінің көлемі еріт-
кіш пен еріген заттың көлемдерінің қосындысынан басқаша болатын-
дығын көрсстті. Еру процесі жылудыңбөлініп шығуымен немесежұты-
луыменбайланысты болады. Менделеев еріткіш пен еріген заттыңбел-
гілі бір салмак катынастарына сәйкес келетін айырықша нүктелердің
болатындығын анықтады. Осылардың барлығы ерітінді мен еріген зат
молекулаларының арасында энергиялық өзара әсердің бар екендігін
көрсетеді және срітіндіні химиялық қосылыстарга жақындатады. Алай-
да бұл эффектілердің әлсіз ерітінділерді атқаратын ролі аз бөлады. Бұдан
былай біз еріген заттың бір молекуласына еріткіштін көптеген молеку-
ласы келетін өте әлсіз ерітінділерді-қарастырамыз. Сонда еріген заттың
молекулаларыбірінен-бірі алыстұрады, біріне-бірінің әсері нашар бола-
ды және олар жалпы алғанда газ молекулаларына ұксайды. Бұлардың
шын газдан айырмашылығы мұнда еріген заттың молекулалары арала-
рында еріткіштің олармен үздіксіз соқтығысып тұратын молекулалары
болатындыктан, олар қиындықпен қозғалады. Осының салдарынан
еріген зат диффузиясының коэффициентінен әлдеқайда аз болады.
Газдардағы сияқты берілген Т температурада еріткіш молекулала-
рының да, еріген зат молекулаларының да жылулық қозғалыстары-
ның орташа кинетиқалық энергиясы бірдей болады: әрбір еркіндік
дәрежесіне мынадай орташа энергия келеді:
104
- 1
а) = — к1'
2
мұндағы к — Больцман тұрактысы.
Еріген зат молекулаларының газға ұқсайтын жиыны мынадай
қысым түсіруі керек:
2 -
Р = — пп О) .
3
Мұндағы л, — еріген зат молекулаларының ерітіндінін көлем бірлігіндегі
саны. Осы Р қысым осмостык, қысым деп аталады.
Алайда еріткіш сұйыкта беттік қабыршақтуғызатын ішкі қысым зор
болады, сондықтан осмостық қысымды тікелей байқауға болмайды.
Осмостық қысым Р үлкен қысымдағы бір газға аз мөлшерде ара-
ласқан екінші бір газдын парциаль қысымына ұксас болады. Сондық-
тан осмостық қысымды бақылау үшін еріткіштің молекулаларын
өткізетін, ал еріген заттың молекулаларын өткізбейтін қалқа тандап
алайык. Мұндай қалқа шала өткізетін калка деп аталады. Мысалы, су
мен қанттың ерітіндісін алған жағдайда, малдың қуығы су молекула-
ларын өткізбейді; сондыктан оны қант ерітіндісінің осмостық кысы-
мын байқау және өлшеу үшін пайдалануға болады. Осмостық қысым-
ды анықтауға арналған тәжірибенің схемасы 54-суретте көрсетілген.
Ішінде таза суы бар ыдысқа төменгі ашықұшына шала өткізетін қуық
қапталған кішкене “а” ыдыс салынған. “а” ыдыстың жоғарғы жағына
жіңішке ұзын “Ь” түтігі бекітілген. Бұл кіш-
кене ыдыста қанттың ерітіндісі бар. Кішкене
“а” ыдыстан сыртка шығатын судан оған
кіретін су көп болады. Судың осы артық кі-
руінен “Ь” түтіктегі ерітіндінің деңгейі жо-
ғары көтеріледі және бұл деңгей, көтерілген
сұйық бағанасының гидравликалық қысымы
еріген қанттың осмостық (парциаль) қысы-
мына тең болғанша, көтеріле береді.
(1) формуладан осмостык қысым Менде-
леев-Клапейрон теңдеуіне бағынатындығы
көрінеді:
т
Р =----КТ, (2)
/л-Ү
105
мұндағы т - еріген заттың массасы; ц — оның молекулалык. салмағы;
V- ерітіндінің көлемі; — газ тұрақтысы.
Ерітіндінің таралымын (таралым сан жағынан ерітіндінің көлем
бірлігіне келетін еріген заттын. массасына тең) көрсететін
шаманы енгізіп, (2) формуланы мына түрде көшіріп жазамыз:
р = — КТ.
(3)
(3) формула осмостык қысымға қатысты алғанда ВЭ#£Тофф фор-
муласы деп аталады. Вант-Гофф формуласынан мынандай қорытын-
дылар шығады: 1) тұрақты температурада әрбір еріген заттың р осмос-
тық қысымы С таралымына тура пропорционал; 2) таралым тұрақты
болғанда әрбір еріген заттың (р) осмостық қысымы ерітіндінің (Т) аб-
солюттемпературасынатура пропорционал; 3) бірдей таралымда және
бірдей температураларда еріген әр түрлі заттардың р осмостық қысым-
дары олардың молекулалык салмақтарына кері пропорционал болады.
Әлсіз ерітінділердің көпшілігіне осмостық кысым Вант-Гоффтың
(3) формула бойынша есептеп шығарылғандағыдан едәуір артық
болатындығы байқалады.
Мұның себебі ерігенде бұл заттың молекулалары бірнеше бөлшек-
терге ыдырайды (диссоциацияланады), соның нәтижесінде ерітіндінің
көлем бірлігіндегі молекулалардың п0 саны көбейіп, (1) формула бой-
ынша анықталатын осмостық қысым артады. (3) формулаға бағына-
тын ерітінділер электр тогын өткізбейді, ал осмостык қысымы үлкен
болатын ерітінділер электртогын өткізеді (электролит болады). Бұдан
зат ерігенде оның молекулалары нейтрал бөлшектерге емес, зарядтал-
ған бөлшектерге (иондарға) ыдырайды деген қорытынды шығады.
Осмостық құбылысқа байланысты құбылыстар жаратылыста, атап
айтқанда, тірі организмде, үлкен рөл атқарады.
§ 18.2. Сұйықтын беттік керілу күші
Сұйықтың ішінен бір молекуланы ойша бөліп алайықта, бұл моле-
кулаға басқа молекулалардыңтигізетін әсерін ескерусіз қалдырайық.
Оны жан-жағынан көптеген молекулалар қоршап тұр (55-сурет). Бұл
106
молекуланың басқа молекулалармен әсерлесу күші бірін-бірі жояды,
қорытқы күш нөлге тең болады (55, а-суретте а және Ь молекула-
лары). Сұйық бетіндегі молекулалардың күйі бөлекше (55-суретте с
молекула).
Сұйыктың молекулаларының орналасу тығыздығы оны қорша-
ған газ (ауа) молекулаларының тығыздығынан әлдеқайда көп бола-
ды. Сондықтан сұйык бетіндегі молекулалар онын ішіндегі молеку-
лалармен әсерлеседі. Сол әсердің қорытқы күші (Ғ ) 55, б-суретте
көрсетілген.
Корытқы күш сұйық бетіне перпендикуляр бағытталады. Сұйық
бетіндегі молекулалардың барлығының да әсер күші осындай болады.
Олай болса сұйықбетіндегі мономолекулалық қабаттағы молекулалар-
дың әсер күштерінің жиынтығы сұйыққа төмен бағытталған қысым
түсіреді. Бұл қысымды сұйықтың ішкі қысымы немесе молекулалық
қысым дейді.
Сұйык бетіндегі бір молекулаға әсер етуші барлық молекулалар-
дың өзара әсер күші бір-бірін теңестіреді, яғни күш нөлге тең болады.
Бірақ сұйық бетіне жанама бойымен және сыртқа бағытталған Ғст
кұштері бар, олар сұйықбетін тартып тұрады, сондықтан оны сұйық-
тың беттік керілу куші дейді. Ол сұйық бетінін периметріне перпен-
дикуляр болады. Сұйықбетінін периметрінің бірлігіне /келетін беттік
керілу күшін беттік керілу коэффициенті дейді.
Ғ-
°=~- (4)
Беттік керілу коэффициентінің СИ системасындағы өлшем бірлігі:
Ғ=1 Н, /=1 м болса с =1 Н/м.
107
56-сурет
Сұйық бетінің ауданын кішірейту үшін атқарылған жұмыс
мөлшерін аныктайық (56-сурет). Қысымнан жасалған рамаға (АВСД)
сұйықтың жұқа үлбісін (пленка) тартайық. Сол раманың бір қабыр-
ғасы (тп) жылжымалы болсын. Ғекүшінің әсерінен қабырға жоғары
қарай жылжиды, сондықтан үлбінің ауданы кемиді. Сонда атқарыла-
тын жұмыс мөлшері
АА = ҒбДх = <5 I Дх.
мұндағы АДх = Д8 — үлбі ауданының өсімшесі.
Бұл жұмыс үлбініңбеттік энергиясына теңболады, ДХУ6=ДА=ЙД8.
Осыдан:
(5)
ХҮе — энергия, үлбінің ішкі энергиясының, изотермиялық про-
цесс кезінде, жұмысқа айналуы мүмкін болатын бөлігі болып табылады.
Бұл энергияны сұйық бетінің еркін энергиясы дейді. (5) формуладан
беттік керілу коэффициенті, ол сұйық бетінің аудан бірлігіне келетін
еркін энергия деген екінші анықтама шығады. Өлшем бірлігі СИ сис-
темасында Дж/м2. Сұйықгардың беттік керілу коэффициенгі олардың
табиғатына, ерітінділердіңтаралымына және температурасына тәуелді
болады. Сұйыктың температурасы артқанда оның молекулаларының
қозғалыс жылдамдығы артады. Сондыкдан молекулалардың өзара әсер
күші кемиді де, беттік керілу коэффициенгін азайтады.
108
Сұйықтардың беттік керілу коэффициентіне оның ішіндегі ерітін-
ділердің ықпалы зор. Мысалы, суда ерітілген сабын оның беттік керілу
коэффициентін кемітеді. Сұйықтың беттік керілу коэффициентін
азайтатын заттарды беттік активті заттар деп атайды. Сумен салыс-
тырғанда ондай заттарға мұнай, спирт, эфир, сабын және т.б. жатады.
Молекулалык теория тұрғысынан қарағанда беттік белсенді зат-
тардың ықпалын былай түсіндіруге болады. Беттік белсеңді заттардың
молекулалары мен сұйықтардың молекулаларының өзара тартылыс
күші сұйықтардың молекулаларының өзара тартылыс күшінен кем
болады. Сондықтан сұйық бетіндегі молекулалар ішке қарай топта-
сып, ал қоспаның молекулалары оныңбетінде жайылады.
Кейбір заттардың ерітіндісі сол сұйықтың беттік керілу коэффи-
циентін көбейтеді. Онын себебі олардың молекулалары сұйықгың мо-
лекулаларымен күшті байланыста болады да, сұйықтың ішінде топта-
сады, ал бетінде сұйықтың өз молекулалары жиналады. Оған мысал
ретінде қанттың, тұздың судағы ерітінділерін келтіруге болады.
Қатты дене мен сұйықтар әсерлескенде жұғу және жұқпау құбы-
лыстары байқалады.
Егер қатты дене молекулалары мен сұйық молекулаларыныңөзара
тартылыс күші сұйық молекулаларының өзара тартылыс күшінен артық
болса, ондай сұйыктар жұғады.
Егер қатты дене молекулалары мен сұйык молекулаларының өзара
тартылыс күші сұйык молекулаларының өзара тартылыс күшінен кем
болса, онда ондай сұйықгар жұқпайды.
Қатты дене бетіне сұйық тамызса, онда жұғу немесе жұқпау
қасиетіне байланысты тамшының пішіні де әртүрлі болады. Оны анық-
тау үшін сұйықбетіне жанама жүргізіледі. Жанама мен катты дененің
арасындағы бұрышты (Ө) жиектік бұрыш деп атайды. Сұйық жұғатын
жағдайда жиектік бұрыш сүйір (Ө<90°) (57, а-сурет), ал жұқпайтын
болса -доғал (Ө>90°) болады (57, б-сурет). Егер сұйықтолықжұғатын
болса, онда (0=180°) болады.
Жіңішке түтікшелерде сұйықтың өз деңгейімен салыстырғаңда
жоғары кәтерілуін немесе төмен түсуін капиллярлық кұбылыс дейді,
ал жіңішке түтікшелерді капиллярлар дейді. Жұғу және жұқпау құбы-
лысына сәйкес капиллярдағы сұйықтың беті ойыс немесе дөңес бола-
ды. Сұйық бетінің қисықгығын мениск дейді.
Жұғатын сұйық капилляр бойымен жоғары көтеріледі. Бұл кезде
түтікшенің радиусы неғұрлым кіші болса сұйык соғұрлым биігірек
109
а
б
көтеріледі. Сұйыкдың менискісі ойыс болады (58, й-сурет). Сұйық-
тың имек беті астында сол беті қысқаруға бағытталғанК беттік керілу
күші сұйық бетіне әсер ететін қысым атмосферальЙГкысымнан (ДР)
шамасына кем болады, олай болса сұйық бетіне әсер ететін толык
кысым мынаған тең:
Егер мениск дөңес болса, яғни сұйық жұқпайтын болса - толық
кысым мынаған тең (58, б-сурет).
Рм = Р + АР.
Бұл құбылысты жалпы түрде былай жазуға болады.
Р = Р±АР.
м
Менискінің радиусы г, капиллярдың радиусы К және жиектік
бұрыш Ө болсын. Олай болса сұйық бетінің периметрі бойына әсер
етуші беттік керілу күші мынаған тең:
110
=2лг<5.
Осы күшті капилляр қимасының ауданына (лВ.2) бөліп, сұйық
бетіндегі қосымша қысымды табамыз.
, , 'І71ГСУ
±Д р =---
71В?
Калыпты жағдайда г=К болатынын ескеріп соңғы тендікті былай
жазамыз:
, л 2сг
+Лр =-----.
г
Бұл формула бойынша капиллярдағы сұйық бетіне әсер ететін
қосымша қысымды анықтауға болады. Осы формуланы Лапласс фор-
муласы дейді.
Капиллярлық құбыльістар жаратылыста және күнделікті өмірде
үлкен рөл атқарады. Судың топыраққа және әр түрлі кеуек материал-
дарға сіңуі капиллярлық құбылысқа байланысты болады. Капилляр-
лық құбылыстын өсімдіктер өмірінде үлкен маңызы бар, олар арқылы
топырақтан өсімдік бойына жұғатын сұйықтар және олардағы қоректі
заттардың ерітінділері көтеріледі.
Адам организмі үшін де капиллярлық құбылыстың маңызы зор.
Олар арқылы ұлпалар мен ағзаға қоректі заттар, су, қан тасымалданады.
Жіңішке түтіктен аққан жұғатын сұйыққа қосылған газ көбікшесі
қосымша қысым әсерінен сфералық бетпен шектеледі.
Егер сұйық қозғалмаса оның қисықтық радиустары тең болады
(г=г2) (59, я-сурет), мениск астындағы қысымдар бірін-бірі теңестіреді
<р,=р,)-
59-сурет
111
Егер сұйық қозғалса сұйық бетінің қисықтық радиусы өзгеріп
(г^), қосымша қысым (Р) түтіктің жан-жағында бірдей болмайды,
олай болса көбікше бетіндегі қосымша қысымдар айырмасы (Р^Р2)
пайда болады (59, 5-сурет). Сұйыққа әсер етуші қысымға (Р) қосым-
ша қысым (ДР)қарсы әсер етеді де, сұйықтың қозғалысын қиындата-
ды. Түтікшелер екіге тармақталған болса (59, в-сурет) бір жағында екі
бірдей мениск пайда болады. Бұл жағдайда сұйық қозғалысқа келмей
қалуы мүмкін. Оны газдык, змболия дейді.
Осындай құбылыс қан тамырына ауа көпіршігі араласқанда болуы
мүмкін. Мұндай жағдайда қан тамыры «жабылып» қалады. Осындай
кдтерлі жағдайларды болдырмау үшін қан тамырына инъекция жасаған
кезде шприцтен ауаны толық шығарып жіберу қеДОДО-*
§ 19. ГИДРОДИНАМИКАНЫҢ НЕПЗДЕРІ
Сұйықгың механикалық қозғалысын зерттейтін бөлім гидродина-
мика деп аталады.
Сұйық қозғалысын қарастырғанда көп жағдайда, едәуір жуықтап,
сұйыкты мүлде сығылмайды деп санауға болады және оның бір қа-
баты екінші кабатымен салыстырғанда орын ауыстырғанда үйкеліс
күштері (ішкі үйкеліс немесе тұтқырлық) пайда болмайды деп жоруға
болады. Осындай мүлде сығылмайтын және мүлдетұтқыр емес сұйық-
ты идеал сұйық деп атайды. Идеал сұйық ұғымын пайдалану нақтылы
сұйықтарға тек белгілі дәрежеде жақындау ғана болып табылады.
Сұйық бөлшектерінің қозғалысын бір белгілі санау системасына
қатысты анықтайтын болайық. Сонда әрбір бөлшектін>өзіне лайық
жылдамдық векторы болады. Барлықсұйық, қалыптасқан сөзбен ай г-
қанда, жылдамдык, векторының ө/нс/болып табылады. Жылдамдық век-
торының өрісімен сызықтар жүргізейік, сонда олардың әрбір нүкте-
сінен жүргізілген жанамалар сұйық бөлшегі жылдамдығының сол
нүктедегі бағытына дәл келетін болсын, сондай сызықтарды агын
сызықтары деп атайды (60-сурет).
Сұйықтың ағын сызықгарымен шектелген бөлігін агын тутігіреп
атайды. Ағын түтігінің белгілі қимасындағы барлык бөлшектер қоз-
ғалыс кезінде ағын түтігінің ішімен қозғалып отырады, одан шығып
кетпейді. Сонымен қатар ағын түтігінің ішіне де сырттан ешқандай
бөлшектер енбейді. Бір ағын түтігін алып, оның кез келген ДЗ^ және
Д82нормаль қимасын сайлап алайық. Уақыт бірлігі ішінде Д8, қима-
112
сынан ағып өтетін сұйык көлемі
ДЗ^О] көбейтіндісіне тең болады,
мұндағы V] қимасы Д8 орындағы
сұйық ағысының жылдамдығы.
Уақыт бірлігі ішінде Д83 қимасы-
нан ағып өтетін сұйық көлемі
Д82о2болады, мұндағы о2 - осы
Д82 қимасы алынған орындағы
сұйық ағысының жылдамдығы.
Сұйық сығылмайтын болған-
да Д8] қимасынан ағып өтетін
сұйык көлемі қандай болса, Д82
қимасынан ағып өтетін сұйық көлемі де дәл сондай болады, сон-
дықтан:
= Д82и2.
Бұл тендік ағын түтігінің кез келген екі қимасы үшін дұрыс бола-
ды, сондықтан ағын түтігі үшін жалпы мынаны жазуға болады:
Д8о= СОП8І,
яғни, сығылмайтын, тұтқыр емес сұйық ағысының жылдамдығы мен
ағын түтігінің көлденең қимасының көбейтіндісі берілген ағын түтігі
үшін тұрақгы шама болады. Осы тендеуді сорғының үзіліссіздігінің
тендеуі дейді.
Бір ағын түтігін алайық, ол ағыс бағыты бойынша жіңішкере
беретін болса, онда ағын түтігінің тарылу (жіңішке) жеріне келген сай-
ын сұйық жылдамырақ аға бастайды, яғни үдеу пайда болады. Сон-
дыкдан, түтіктің тарлау жеріне ағып барған сұйыккд сол түтіктің кең
(жуан) жерінде тұрған сұйық тарапынан бір күш әсер етеді. Сұйық
көлемінің ішінде пайда болатын ондай күш тек сұйыктың әр түрлі
бөліқтеріндегі қысымдар айырмасының есебінен ғана пайда бола ала-
ды. Күш жіңішке жағына қарай бағытталғандыктан түтіктің жуан
жеріндегі қысым, оның жіңішке жеріндегі қысымнан артык болады.
Ағын түтігі тарылған жерде кысым бәсең болады.
Ескерте кетейік, қысым (Р) деп перпендикуляр бағытта әсер еткен
Ғ күшінің сол Д8] әсер ету ауданына кдтынасымен өлшенетін шаманы
айтады. Сұйық ағынынан оның белгілі бір массасын (Дт) бөліп
алайық. Ол алдымен ағын түтігінің Д8] қимасынан кейін Д82 қимасы-
нан ағып өтетін болсын (60-сурет). Д8] қимасы алынған жердегі сұйық
113
жылдамдығын о әрпімен, қысымды әрпімен белгілеп, ал қима-
сы алынған жердегі жылдамдыкты әрпімен, қысымды Р3 әрпімен
белгілейік. Ағын түтігі горизонталь орналаспай біраз көлбей орналас-
кан болсын: Д8] қимасы алынған орынның биіктігін һ, әрпімен, Д8,
қимасы алынған орынның биіктігін һ2әрпімен белгілейік. Сұйықтың
Дт массасы ағып өткенде бірсыпыра жұмыс істелінеді, өйткені, сұйық
ішінде Р қысымы болған себепті, сұйықтың осы массасында белгілі
күш әсер етеді.
Мысалы, Д8 қимасынан ағып өткен сұйықтықтың Дт массасы-
ныңтолықэнергиясы Е болсын, ал Д82қимасынан ағып өтетін сұйық-
тыңтолық энергиясы Е2болсын. Энергиянын сакталу заңы бойынша
энергияның Е2—Е] өзгерісі, Дт массасын Д8] кимЗфвИан Д8?қимасына
дейін козғалтып баратын сыртқы күштердің жұмысына тең болады:
е2-е, = а.
Ал Е және Е2 энергиялары сұйыктың т массасының кинетика-
лык және потенциялық энергиялардан құралады:
_ Д/77-ц2 _ Дт-іл2 . 7
А] = ——- + Ат ^/7]; Е2 = —-^- + Лт $һ2.
Мынаған көз жеткізу де қиын емес: А жұмыс Д8 және Д82 қима-
лары арасындағы барлық сұйық учаскесі қозғалғанда Ді уакыт ішінде
істелетін жұмысқа дәлме-дәл келеді, сонда осы ДС уақытішіндегі кима-
лардан сұйықтың Дго массасы ағып өтеді. Дт массасын бірінші қима
тұрған орыннан өткізу үшін о ДІ=Д/] кесіндісіне, ал оны екінші қима
тұрған орыннан өткізу үшін о2Д(=Д/2 кесіндісіне жылжу керек. Бөліп
алынған сұйык учаскесінің екі шетінің әрқайсысына түсетін күштер
өз ретінше мынаған тең: = р Д8 және /2 = -р2Д52 • Бірінші күш оң
шама, өйткені ол сұйық ағысына қарай бағытталған; екінші күш теріс
шама, өйткені бұл күш қарастырылып отырған сұйықучаскесіне кима-
ның он жағында жатқан сұйықтарапынан әсер ететін күш болып та-
былады, сондықтан ол сұйық ағысына қарама-қарсы жаққа қарай ба-
ғытталған болады. Ақырында мынандай тендік шығады:
А=/]Д/] -/2Д/2= Р]Д8]О|Ді — р2Д82о2Д( .
Енді Ер Е2, А шамаларының осы табылған мәндерін (1) теңдіктегі
орындарына қойсақ, мынаны табамыз:
114
Ат с>1
2
+ Дт • §һ2
Дж * I )
----- -- Лт %һү = /}Д5,цД/ - 7^Д£2ы2Дг; (1)
2 2
' 8^і + /}Д5,цД/ = °2 + Дт §һ2 + Р2 Д52ы2 Д/.
(2)
Сорғының үзіліссіздігі жөніндегі заң бойынша сұйықтың т мас-
сасының көлемі тұрақты болып отырады:
ДУ = ДЗ^ДС = Д82о2ДС.
Енді (2) теңдіктің оң жағын да, сол жағын да осы ДҮ көлемінде
Дт
бөлеміз және қатынасы сұйықтың тығыздығы г екендігін еске
аламыз, сонда мына теңдік шығады:
2 2
^+Р8Һ + Ң =^~- + Р8һ2 + Р2- (3)
Бұл теңдеуді ең алғаш аса көрнекті физик және математик, Петер-
бург академигі Даниил Бернулли (1700—1782) қорытып шығарған.
Сондықтан бұл теңдеуді Бернулли теңдеуі деп атайды.
Тұтқыр сұйықтыц козгалысы. Барлықнақтылы сұйықтыңбір қабаты
екінші қабатымен салыстырғанда орын ауыстырса, оңда азды-көпті
үйкеліс күші пайда болады. Шапшаңырақ қозғалатын қабат тарапы-
нан баяу қозғалған қабатқа үдетуші күш әсер етеді. Бұл күштер ішкі
үйкеліс күштері дец аталады, олар қабаттардың бетіне жүргізілген
жанама бойынша бағытталады. Ішкі үйкеліс күшінің Ғ шамасы сұйық
ағысының о жылдамдығы бір қабаттан екінші кдбатқа көшкенде қан-
шалықты шапшаң өзгеретіндігіне тәуелді және қарастырылып отыр-
ған сұйық қабаты бетінің Д8 неғұрлым үлкен болса, соғұрлым зор бо-
лады. Мысалы, бірінен-бірІ Д7 қашықтықтағы сұйықтың екі қабаты
(61-сурет) о^және о2 жылдамдықтарымен ақсын; о — о2 = До деп
белгілейік. Қабаттардың Д7 ара қашыктығын өлшегендегі бағыт сол
До
қабаттардың ағыс жылдамдығына перпендикуляр болсын. Сонда-
Д7
шамасы бір қабаттан екінші қабатқа өткенде жылдамдықтың қанша-
лықты шапшаң өзгеретіндігін көрсетеді, оны жылдамдық градиенті
115
деп атайды. Ішкі үйкеліс күші Ғ жылдамдық градиентіне тура про-
порционал болады, сәйтіп
Ғ = (1)
• Д7
Осы формуланы тұткыр сұйық үшін Ньютонныңформуласы дейді.
Мұндағы р шамасы сұйықтыңтабиғатына байланысты, оны сұйық-
тың ішкі үйкеліс коэффициенті немесе сұйықтың тұтқырлық
коэффициенті деп атайды. Тұтқырлык коэффициенті неғұрлым көп
болса, сұйықтын идеал сұйықтан айырмашылығы соғұрлым үлкен
болады, үйкеліс күші соғұрлым зор болады.
Үйкеліс коэффициентінің өлшем бірлігі СИ системасында
Н с/м2 = Па-с болатынын табу оңай. Ал системадан тыс өлшем бірлігі
дин-с/см2 пен өлшейді. Тұтқырлыктың осы бірлігін, алғаш ашқан
француз ғалымы Пуазейльдің құрметіне пуаз (Пз) деп атайды.
1 Па-с = 10 Пз (Пуаз).
Сұйык тұткырлығының температураға байланыстылығы әте
күшті болады: температура көтерілгенде тұтқырлык кемиді. Мысалы
судың 0°С-дағы тұткырлығы т]0=0,ОІ775 Пз, 90°С-дағы түткырлығы
цо=О,00320 Пз. Әсіресе майлар тұтқырлығының температураға
тәуелділігі күшті; мысалы, температурасы 18°С-тан 40'С-қа дейін
көтерілгенде касторка майының түтқырлығы төрт еседей кемиді.
Мысал ретінде кейбір сұйықтардың тұтқырлық коэффициенттерінің
температура тәуелділігінің мәндері келесі беттегі кестеде көрсетілген:
116
Сұйык Тұтқырлык коэффиниенті (пуазбен есептелген)
т = о°с Т= 15°С Т = 99°С
Су Сынап Эфир Глицерин 1,8-Ю'2 1,7-Ю'2 0,29Т02 46 1,1-102 1,6-Ю’2 0,25-10‘2 15 0,29-10’2 1,2-Ю2
Егер сұйықтың тұтқырлығы онын табиғатына және температура-
сына ғана тәуелді болса, ондай сұйықтарды ньютондық суйық дейді.
Оған төменгі молекулалық қосылыстардағы сұйықтар жатады (су, бал-
кыған металл жәнет.б). Егер сұйықтыңтұтқырлығы оныңтемперату-
расына, табиғатына және ағу шартына тәуелді болса, онда ондай сұйық-
тарды нъютондық емес суйықтар дейді. Оған жоғарғы молекулалық
қосылыстар жатады. Мысалы: суспензиялар, эмульсиялар, қан жәнет.б.
Сұйықтардың ағысы екі түрлі болады — ламинарлық және турбулент-
тік ағыстар.
Ламинарлық ағыста {Іатіпа — қат-қабат деген сөз) сұйықтың
қабаттары бір-бірінің бетімен сырғанаған тәрізді болып қозғалады.
Сұйық құбырмен қозғалғанда жылдамдық артқан сайын ағыстың ла-
минарлық сипаты жоғалып, ретсіз бола бастайды. Сұйықтың әрбір
нүктесінде жылдамдық құраушылары пайда болады. Сұйықтың әрбір
нүктесінде жылдамдық векторы өзінің орташа мәнінен ретсіз ауыт-
қып отырады. Осындай қозғалыс турбуленттік қозеошс деп аталады.
Құбырларда немесе арналарда ламинарлық қозғалыс турбуленттік қоз-
ғалысқа ауысқанда, кедергі кенеттен үлкейіп кетеді. Тұтқыр сұйық
денені орай аққан кезде жылдамдық артқан сайын ағыстың сипаты
өзгереді, ол құйынды ағысқа айналады. Сұйық орай аққан дененің
бетінен бәлініп шыққан сұйық ағындары жеке құйындарға бәлшек-
тенеді. Дененіңартқы жағында түзілген құйындарды (62-сурет) сұйық
ағызып алып кетеді, олар біртіндеп барып басылады. Сұйықтың ағу
шарты Рейнольдс саны (Ке) деп аталатын өлшем бірлігі жоқ шамамен
сипатталады. Ол сан:
Ке = ^.
Ч
Мұндағы р, о, т] сызықты өлшемдер — сұйықтың қарастырылып отыр-
ған ағысына тәуелді.
117
62-сурет
Егер сұйык құбырмен аққан болса, онда
құбырдЕщ радиусын г деп,
тығыздығын р деп, орташа жылдамдығын о деп белгілейік. Сонда
Л/р=У қатынасы тұтқырлықтын кинематикалықкоэффициенті деп ата-
лады. Рейнольдс саны аз болса, онда ламинарлықағыс болады. Ол сан
бір шамаға жеткенде ламинарлыкағыс турбуленттік ағыска айналады.
Мысалы ішкі беті тегіс горизонталь металл құбырмен су акканда
Ке >1000 болса, онда турбуленттік ағыс болады. Егер Ке<1000 болса
керісінше, турбуленттік ағыс ламинарлық ағысқа айналады. Осыған
сәйкес келетін санды Рейнольдстың өтпелі (Кеөт) саны дейді.
§20. ҚАН АЙНАЛЫМ ЖҮЙЕСІНІҢ БИОФИЗИКАСЫ
Қанайналым биофизикасы — қанның қысымы мен қозғалыс жыл-
дамдығының арасындағы байланысты және олардың қанның, қан та-
мырларының, жүрек функцияларының физикалық параметрлеріне
тәуелділігін зерттейді. Қан айналым жүйесін күрделі гидродинамика-
лық жүйе деп қарастыру керек. Жүректің жұмысы периодты болған-
дықтан қанның қысымы жөне козғалысы да периодты болады. Қаи
тамырлары аса көптармақталадыжәне әртармақтыңдиаметрі әртүрлі
болады. Сондықтан тамырдың серпімділігі тармактардың диаметр-
лерінің қосындысынабайланысты болады. Қантаралу жүйесінің осын-
дай ерекшеліктері оны физика, математикатұрғысынан талдау жасауға
киындық туғызады.
Қан айналымның биофизикалык көрсеткіштері жүрек-тамырлар
жүйесінің биофизикалык параметрлерінің өзгерісіне тәуелді болады.
Атап айтқанда жүрек жұмысының ерекшелігі (қанның систолалык
көлемі) қан тамырларының кұрылысының ерекшеліктеріне (олардың
118
радиусы және эластикалык қасиеттері) және қаннын қасиетіне
(тұткырлығы) байланысты болады.
Сонымен қатар қан тамырлары гуморальды әсер тарайтын арна-
нын қызметін атқарады. Қан айналым жүйесі ағзаның температура-
сына да зор ықпал етеді. Сондыктан осы тарауда қан айналым жүйесін
биофизика тұрғысынан қарастырамыз.
§20.1. Қанның реологиялық қасиеттері
Реология (гһео$ — агын, — ілім — грек сөздері) дегеніміз, заттар-
дың деформациялануын және ағуын зерттейтін ғылым. Гемореология
(гемо - қан) — қанды тұткыр сұйык деп қарастырып, оның қантамыр-
ларының бойымен қозғалысын зерттейтін биофизика ғылымының
бір саласы.
Сұйықтың тұтқьірлығы деп оның бір қабатының екінші қабатымен
салыстырғанда қозғалыс әсерінен пайда болатын кедергіні айтады.
Сұйықтың тұтқырлығынын басты заңын Ньютон ашқан (§19
караңыз).
мұндағы г| - қанның тұтқырлығы.
Тұтқырлық тұрғысынан қарағанда қан — ньютондык емес сұйык.
Себебі қан — формалык элементтер суспензиясының плазмадағы ері-
тіндісі. Ол элементтердің өзіне тән ішкі құрылысы және қасиеттері
бар. Плазма - мөлдір, ньютондық сұйық. Бірақ формалык элемент-
тердің 93%-ы эритроциттер болғандықтан, қанды эритроцит суспен-
зиясының физиологиялық ерітіндісі деп, жеңілдетіп қарастыруға бо-
лады. Эритроциттердің басты қасиетінің бірі — эритроцит бағанын
құруға бейімділігі. Егер қанның жұғындысын микроскоппен қараса,
онда бір-біріне «жабысқан» агрегатты көруге болады. Ол агрегатты
эритроцит баганы дейді. Бағандар жинақталған тиындарға ұқсас бол-
ғандықтан оларды «тиын бағаны» (монетный столбик) дейді. Диаметрі
әртүрлі қан тамырларында «тиын бағанының» пайда болуы шартты да
әртүрлі. Оған қан тамырларының диаметрі, эритроциттін диаметрі және
агрегаттың размері тікелей әсер етеді. Мысалы: эритроциттің диаметрі
йэр & 8 мкм, ал агрегаттың диаметрі одан бірнеше есе үлкен болуы
мүмкін, яғни
П9
а ~ іоа .
агр эр
Жуан кан тамырларыныңдиаметрлері агрегаттың диаметрінен үлкен
(С1т > багр), сонымен кдтар кан тамырының диаметрі эритроциттердің
диаметрінен аса үлкен (сіт >> бэр) болғандағы агрегаттардыңтүзілісі 63,
сіо
а-суретте көрсетілген. Мұнда жылдамдықөзгерісі — аз, эритроцит-
сі~
тер «тиын бағанасына» жинакталып, агрегатқұрайды. Осыңдай қалыпты
жағдайда қанның тұтқырлығы т]=0.005 Па с болады. Егер тамырлар
ұсақ болса (ұсақ артериялар, артериолдар), яғни тамырдың диаметрі
мен агрегаттың диаметрлері жуық шамамен бірдей бодо^Ш^ « бт) және
тамырдың диаметрі эритроциттің диаметрінен 15—20 есе үлкен
сһ)
(сі* 15—20 а ) болса, мұндай тамырларда жылдамдық өзгерісі —- ар-
Р 02
тып, агрегаттар ыдырайды да, қанның тұтқырлығы кемиді (63-сурет).
120
Микротамырларда (капиллярларда) тамырдың диаметрі эритроцит-
тің диаметрінен кіші болады (сіт < д ). Бірақтірі тамырда эритроциттер
жеңіл деформацияланып, диаметрі 3 мкм капиллярдан диаметрі 8 мкм
эритроцит ешқандай өзгеріссіз бұзылмай өтеді.
Уақыт бірлігінде қантамырының көлденең қимасынан өтетін
қанның көлемі 0 мынаған тең болсын
0= 80,
мұндағы 8 = лК2, кан тамырының көлденең қимасының ауданы, К —
тамырдың радиусы, сонда
I) !--------,
/ 8т?
мұндағы о — кднның қан тамырлар бойымен қозғалысының орташа
сызықтық жылдамдығы; және Р2 тамырдын ұштарындағы қысым;
/ — тамырдың ұзындығы; т| — канның тұтқырлығы. Бұл тендеуді ал-
ғаш ашқан ғалымның құрметіне Пуазейль тендеуі дейді.
Капилляр тамырларда эритроциттер жіпке «тізгендей» бірінің со-
ңьінан бірі орналасып, тамырдың пішініне сәйкес келетін, «тиын ба-
ғанасын» құрайды. Тамырдын диаметрі кднша кіші болғанмен, эрит-
роцит пен тамыр қабырғасының арасында плазмаға «орын» қалдыры-
лады. Капиллярдағы қанның тұткырлығы өте аз болады (63, в-сурет).
Жоғарыда карастырылған мысалдардан мынандай қорытынды
жасауға болады. Жуан тамырлар үшін қанның тұтқырлығы сызықты
өзгертеді, яғни
П = п0(1+кС),
мұндағы т]0 — қанның бастапкы тұтқырлығы; С — эритроциттердің
таралымы, к — эритроциттердің пішініне, размеріне және агрегаттың
ерекшелігіне тәуелді геометриялық параметр.
Егер канның кұрамындағы ұсак бөлшектердін құрылымы өзгерсе,
онда к-коэффициенті де, канның тұтқырлығы да өзгереді. Олай болса
капилляр тамырлар ұшін жогарыдағы формуланы қолдануға бол-
майды. Себебі қан ньютондық сұйык емес, оның қан тамырларының
бойымен козғалысы Ньютонның заңына бағынбайды. Сонымен қатар
қаннын тұтқырлығы қан тамырларының диаметріне, жылдамдық
өзгерісіне және температураға да байланысты (§19 караңыз).
Қанның қан тамырының бойымен қозғалысы негізінде ламинар-
лық ағын болады. Бірақ кейде турбуленттік ағын да болуы мүмкін.
121
Аортаға келіп құйылған қанның козғалысы турбуленттік болғандық-
тан, аортадағы канның козғалысы да турбуленттік болады. Қанның
козғалыс жылдамдығы артқанда (мысалы, бұлшық етке күш түскен-
де) қан тамырларыныңтармакталу нүктелерінде де турбуленттік ағын
болуы мүмкін. ТурбуленттІк ағын кан тамырларының диаметрінің ке-
нет кішірейген жерлерінде де (тромба) болуы мүмкін. Сұйыктурбу-
ленттік ағынмен қозғалу үшін оған қосымша энергия қажет. Сондық-
тан қан тамырының бойымен козғалған қан жүрекке күш түсіреді.
Турбуленттік ағын кезінде пайда болатын шу жүрек және қан айна-
лым жүйесіне диагноз қою үщіи қолданылады.
§20.2. Қанның қан тамырлар бойымен козғ^гЙсьі
Қанныңқан тамырларыныңбойымен қозғалыс зандарын зерттейтін
биомеханиканын бөлімін гемодинамика дейді. Гемодинамиканың
басты ұғымдары — қанның қысымы және қозғалыс жылдамдығы.
Қан тамырларының бойымен қанның козғалғандағы кан қысымы-
ның, канның энергиясының және жылдамдығының өзгерісін Берну-
ли және Гаген-Пуазейль теңдеулерімен түсіндіруге болады. (§19 және
§20.1 караңыз).
Қан тамырдың бойымен үздіксіз сорғымен қозғалады. Көлденең
қималары әртүрлі тізбектей қосылған бірнеше түтіктердің бойымен
уакыт бірлігінде сұйықтың өзара тен көлемі ағады. Қан кысымы деп
кан тамырының көлденең қимасына (8) уакыт бірлігінде әсер ететін
күштің (Ғ) шамасын айтады, яғни
өлшем бірлігі Р = 1 Н/м2. Сонымен катар көлемдік және сызықтык
жылдамдык деген ұғым бар.Көлемдік жылдамдық деп қан тамырла-
рының көлденең қимасынан уақыт бірлігінде ағып өтетін сұйықтың
көлемін (V) айтады:
V
О = -, (1)
I
өлшем бірлігі 0 = 1 м3/с.
Сызыктық жылдамдығы деп қанның жүрген жолының уақытқа
қатынасын айтады.
122
I
и = ~- (2)
I
Өлшембірлігі V = 1 м/с. Қантамырларыныңбойыменөтетін қанның
сызыктық жылдамдығы тамырдың әр бөлігінде әртүрлі болғандық-
тан,бұдан былай, орташа сызыктықжылдамдықдеген ұғымды қоямыз.
Сызықтық және көлемдік жылдамдықтардың арасында мынандай
байланыс бар:
V і
О = —, мұндағы / = —.
/ V
Олай болса
0 = 8о = СОП8І. (3)
V о
Себебі — = 5 — тамырдың көлденең кимасының ауданы.
Осы тендеуді (3) сорғының ұзіліссіздігінің теңдеуі (§19 қараңыз)
екен. Бұдан түтіктің көлденең қимасынан ағып өтетін сұйықтың көлемі
оның сызыктык жылдамдығы мен көлденең кимасының ауданының
кө-бейтіндісіне тең екенін көреміз.
Егер тамырдың көлденең қимасының ауданын және сызықтың
жылдамдығын тамырдын бір ұшы үшін 8^ және о(деп, екінші ұшы
үшін 82 және о3 деп белгілесек, онда (3) теңдеуден мынаны аламыз
8^ = 8^.
Осыдан
Осыдан мынандай қорытынды шығады: қанның кан тамырла-
рының бойымен козғалғандағы сызыктык жылдамдығы тамырдың
көлденсң қимасының ауданына кері пропорционал болады екен.
Қолкаға (аортаға) жақын қан тамырлар жүйесінің көлденең қима-
сыныңауданы өте аз болады. Артерияға, артериолаға және капилляр-
ларға өткенде көлденең қималарының аудандарының қосындысы аса
үлкен шамаға жетеді. Мысалы капилляр тамырлардың көлденең қима-
сының аудандарының қосындысы қолқаның ауданынан 600-800 есе
үлкен болады. Соған сәйкес қанның қозғалысының сызықтық жыл-
дамдығы аортада 0,5 м/с болса, капиллярда 0,0003—0,0005 м/с болады.
123
ММ '-'ЫһһяП ІЭсІІ.
64-сурет
Қан венаға қарай өткенде, тамырлардың көлденең кимасының
ауданы азаяды да, соған сәйкес сызықтық жылдамдығы артады.
64, й-суретте қан тамырлар жүйесінде қанның қысымы, 64,» б-суретте
сызықтық жылдамдығының қан тамырларының көлденең қимасынын
ауданына сәйкес өзгерісін сипаттайтын график берілген.
Енді сорғының үзіліссіздігінің теңдеуіне (3) қайта оралайық, яғни
0’5о.
Мұндағы 8 = лг2 қан тамырларының көлденең қимасының ауданы, г —
тамырдың радиусы, және Пуазейль формуласына сөйкес
р —р г2
V = — . (5)
орпі I
Мұндағы оорт — қанның қан тамырлар бойымен қозғалысының орташа
сызықтық жылдамдығы; Р, және Р2тамырдың ұштйрындағы кысым;
124
/ — тамырдың ұзындығы; р — канның тұтқырлығы. Осыларды ескере
отырып сорғының үзіліссіздік теңдеуін былай жазамыз:
(6)
р р
Мұндағы —- — кан тамырының ұштарындағы қысым өзгерісі
немесе оны қысым градиенті дейді. Жоғарыдағы формуланы көлде-
нең қимасы тұрақты цилиндр түтіктермен реал сұйықтардың стацио-
нарлық ағыны үшін Гаген-Пуазейль теңдеуі дейді. Осы формуларға
мынандай белгілеу жасайық, яғни,
Ъір
лг
(7)
оны гидравликалық кедергі дейді. Сонда Гаген-Пуазейль теңдеуін
былай жазуға болады:
А/’
а)
(8)
Енді осы формуланы тізбектің бөлігі үшін Ом заңымен салысты-
райық:
I = . (9)
К
Салыстырудың нәтижесінде мынандай қорытындыға келеміз: бұл
екі заңйыңфизикалықмағынасы бөлек болғанымен, кибернетикалық
заңдылықтары бірдей, яғни:
а) 0 — түтіктің көлденең қимасынан уақыт бірлігінде ағын өткен
сұйықтың көлемі (немесе сұйықтың ұсақ молекулалар саны десе де
болады) болса, I — ток деп өткізгіштің көлденең қимасынан уақыт
бірлігінде өткен зарядтар санын айтады. Олай болса, кибернетикалық
тұрғыдан қарағанда бұл екі ұғым бір-біріне ұқсас.
О^І;
б) Түтіктің ұштарындағы ДР —қысым айырмасы өткізгіштің ұшта-
рындағы потенциялдар айырымын сипаттайды, яғни
А/’ <-> Др;
125
в) со-гидравликалық кедергі — омдык кедергіні сипаттайды.
су <Х> Р.
Сонымен катар тізбектей жалғанған қан тамырының гидравлика-
лық толық кедергісі мынаған тең
со = со ^ + со2 + со3 + •. • + со болса,
тізбектей қосылған өткізгіштердің толық кедергісі мынаған тең:
К = К| + К2+К3+... + Кп.
Параллель қосылған қан тамырлары үшін гидравликалық толық
кедергі мынаған тең болғанда
1111 1
— = — + — + — + -... + — . (10)
СУ СУ, й)2 й)3 О)П
параллель косылған электр өткізгіштерінің кедергісі:
болады.
Кибернетикалық тұрғыдан қарастырылғандағы осындай ұқсас-
тық қан айналымы жүйесінің электрлік моделін жасауға мүмкіндік
береді.
§21. ҚАН АЙНАЛЫМ ЖҮЙЕСІН МОДЕЛЬДЕУ
Қан айналым жүйесінің моделін жасау үшін сол жүйені шартты
түрде екіге — артериялық (А) және веналық (В) көлем деп бөлейік
(65-сурет). Рд және Үл — артериялық жүйедегі қысым мен қанның
көлемі, Рв және Ув — веналық жүйедегі қысым мен қанның көлемі,
0 — кднның систолалық көлемі. ЖПК- жалпы перифериялық кан
тамырларының кедергісі немесе оны со гидравликалык кедергі (7 фор-
муланы қараңыз) дейді. Қанның систолалық көлемі деп, жүрек
бұлшықеттері бір рет жиырылғанда қолқаға келіп құйылатын қанның
көлемін айтады. Сонымен
2 =
р -Р
1 А 1 Н
0)
(12)
126
РА ҮА
2
Қан ссрпімді ортада таралатын болғандықтан уақыт бірлігіндегі
көлемі V қысымға тәуелді болады, яғни
Ү = У0+кР. (13)
Мұндағы к — қан айналу жүйесінің эластикалық қасиеті; — қысым
болмағандағы (Р=0) жүйенің көлемі.
Осы тендеуді дифференциалдайық:
Қанның қозғалысынын көлемдік жылдамдығы р болсын. Серпімді
артериялық жүйеден қан жалпы перифериялық қантамырларын (ар-
териолалар, капиллярлар) О?көлемдік жылдамдықпен өтеді. Перифе-
риялык кан тамырлар кедергісі тұрақты болсын. Сонда 13-формула-
ны былай жазуға болады:
О __---1_ _ (15)
сіі
Бұдан жүректен шыққан қанның көлсмдік жылдамдығы серпімді
(сІУУ
жүиенің көлемінің өсу жылдамдығы — мен сол ортадан ағып өткен
\ Л )
қанның көлемдік жылдамдыгының (Ро) косындысына тең екенін
көреміз.
Венадағы қанның қысымы Рв = 0 десек 12-формуланы былай жа-
зуғаболады:
а=— (іб)
127
(15)формулаға —— -ныңмәнін (14)-формуладан жөне(У-діңмәнін
си
(16) — формуладан қойып, былай жазамыз:
лр Р
д = к^- + ^, (17)
(11 й)
немесе
ОсҺ ^ ксІР +—^ сіі. (18)
а)
Пульстыңөзгеру уақыт аралығын 0 мен Тпдеп, сәйкес келетін
диастолалық қысымның минималды мәні, Рд-деп жоғарыдағы (18)
теңдеуді интегралдайык
т„ т., .
= + — \р&. (19)
0 ’ /»д 0
Егер интегралдың төменгі және жоғарғы шектері тең (Рд) болса
онда ондай интеграл нөлге тең болады. Соны ескеріп (19) теңдікті былай
жазамыз:
=— ^РсіГ (20)
0 0
Бұл тендеудің сол жағы канның соққылык көлемін көрсетеді. Оны
төжірибе жүзінде анықгауға болады. Осы тендеудің оң^жағы 66-су-
ретте көрсетілген қысым мен уақыт осінің арасындағы ауданын
көрсетеді. Бұл суретте ұйқы артериясындағы қанның қысымының
уақыткд тәуелділігі көрсетілген. Мұнда Тс — систола уақыты, Тд -
диастола уақыты, Рс — систоладағы (максималды) кысым.
20-формуланы қолданып гидравликалық кысымды анықтауға бо-
лады. Систола кезінде қолқдның қабырғалары кеңиді, ал одан кейін
диастола кезінде кдн шеткі (перифериялық) тамырларға тарайды, қол-
кддағы кдн көлемі 0= 0 болады. Олай болса (18) формуланы былай
жазамыз:
Р
О = ксІР -I--сіі ,
<у0
128
66-сурет
немесе
(21)
Р ксі)й
Осы тендеуді интегралдап мынаны аламыз:
Р = Р0-е . (22)
(16) формуланы қолданып
аламыз. Мұндағы (д. = —— систоланың аяқталу уақытына сәикес
й)0
келетін аортадағы канның көлемдік жылдамдығы.
129
Осы формуланы қолданып қан қозғалысының көлемдік жылдам-
дығынын уақытқа тәуелді мәнін анықтауға болады.
Кан айналым жүйесінің электрлік моделін жасау аса күрделі. Ол
үшін қанның кантамырларының бойымен қозғалысының барлық
ерекшеліктерін ескеру қажет. Дегенмен, Ростонның моделі қан
айналым жүйесіндегі процесті анықтауда кеңінен қолданылады.
66, д-суретте артериялык А және веналық В жүйелер көлемі; со -
артериялық жүйенің гидравликалық кедергісі; со2 — жалпы перифе-
риялықтамырлардыңгидравликалық кедергісі; со3 — веналықжүйенің
гидравликалық кедергісі; р және (^2 — қанның ағысының көлемдік
жылдамдықтары.
67-сурет
Электрлік модельде (67, б-сурет) электрсыйымдылыкуар (С және
С2) А және В жүйелерін сипаттайды, электрлік кедергілер және
ЬЦ) гидравликалықкедергілерді (ю^және со3) сипаттайды. және І2 —
және ролін аткарады. Осы модельді кан айналым жүйесінің екі
камералы моделі дейді.
130
V тарау
БҮЛШЫҚ ЕТ ЖИЫРЫЛУЫНЫҢ БИОФИЗИКАСЫ
§22. ЖҮМСАҚ БИОЛОГИЯЛЫҚ ТШДЕРДІҢ ҚҮРЫЛЫСЫ
Биологиялык тіндер: тері, бұлшық ет, қан тамырлар, тыныс алу
жүйесі, жүрек клапандарының жапыракшасы және ішкі органдардың
(өкпенің, мидың, сіңірдің) жәнет.б. өздерініңмеханикалық қасиеттері
катты тіндермен (сүйектер) салыстырғанда ерекше болады. Жұмсак
биологиялык тіндердің басты касиеті — олардың аса үлкен шамада
(200%-ге дейін) деформациялануы болады. Сонымен кдтар олардың
механикалық бастапқы және соңғы күйі, сығылғыштығы және ани-
зотропиялығы бір-біріне өте ұқсас келеді.
Жұмсақ биологиялық тіндердің құрылысына (68-сурет) мынадай
компоненттер кіреді: жасушалар, 1 - каллогендік талшықтар, 2 —
эластиндік талшықтар, 3 — негізгі кұрылым және жасушалар. Әр
компоненттің механикалық, биологиялық және иммунологиялық
қасиеттері олардың өздеріне тән ультра күрылымдарына тәуелді бола-
ды. Бірак сумен әсерлесуі және сумен байланысты компоненттерінің
қасиеттері ерекше. Осы биополимерлерді бес топқа бөлуге болады
(68-сурет): (4) коллаген, (5) эластин, (6) гликозаминогликандар, (7)
гликопротеиндер және (8) еритін протеиңдер.
Байлам тіндерінің ішіндегі ең негізгісі — коллаген, оның кұрылым-
дық пішіні әртүрлі. Коллагеннің ерекшелігі — ол спиральдІ полипеп-
тидті тізбектен спиральдық талшыққа дейінгі барлық деңгейдегі спи-
раль кұрайды. Механикалық жүктеме көп болатын тіндердің негізгі
функциясы үшін осындай құрылыс элементтердің бір-бірінің бетімен
салыстырмалы сырғанауын шектейді. Коллаген элементтері — тропо-
коллаген молекулаларынан құралады. Олардың бастары мен ұштары
қосылып диаметрі 20—40 нм коллагендік фибриллаларды құрайды.
Фибриллалардың диаметрлері тін мен сүтқоректілердіңтүрлеріне бай-
ланысты болады. Фибрилл шоқтары диаметрі 0,2—12 мкм арасындағы
талшықтар түзейді. Созылған кезде коллагендік талшықтар және олар-
дың талшықтық құрылымдар шоғы, аз да болса деформацияланады.
Кернеу мен деформация бір-бірімен сызықтык емес байланыста бо-
лады. (69, а-сурет). Коллагендік тіндердің созылғандағы беріктігі 50—
100 МПа болса, серпімділік модулі 1000 МПа болады. Бұл коллагендік
тіндердің аса берік болатындығын көрсетеді. Эластиннің табиғаты — ол
131
Биологиялық жұмсақ тіи
68-сурет. Биологиялық жұмсақтіндердің биохимиялық компоненттері
(Сагрешіе, 1972)
Кернеу, МЛл
69-сурет
132
гидрофобты және белгілі бір аралықта кдтаң химиялық қосылыстағы
амин қышкділдарының тізбегінен тұрады. Созылған кезде сызыктық
қасиеті (69, б-сурет) байқалады. Жұмсақ биологиялық тіндерде элас-
тикалық құрылым талшықты (тері, вена, шеміршеқ) және мембрана-
дан (артериялар) тұратын екі түрлІ морфологиялық пішінді болады.
Талшықтық эластинде бір-бірімен байланыстағы екі жіптен
есілген арқан сияқты компоненттер бар. Эластиннің осындай құры-
лымы олардыңталшыктарыныңсозылудеформациясына (мөлшерімен
150—200 %) төзімді етеді. Сонда эластинніңсерпімділік модулі небәрі
0,6 МПа болады.
Эластин мен коллаген талшықтарының өзара әсерлесуі жұмсақ
биологиялықтіндердің беріктігін және деформациялық қасиетін анык-
тайды. Мысалы, артерия және өкпе паренхима тіндерде эластин
серпімділік қасиет береді. Коллагеңдік талшықтар бұл тіндерде хаос-
ты және толқын тәріздес болып созылып, содан кейін ғана түзіледі.
Негізгі затта коллагендік талшықтар жасушалармен және жасуша-
лар ішіндегі затпен біртүтас болады. Байлам тығыз тіндердің негізінде
фибробластан тұратын жасушалардан құралады. Жасуша ішіндегі
затта коллаген талшығы эластин, ретикулин және гидрофильді гель
болады. Негізгі заттың құрамы тіннің түріне байланысты болады.
Глюкоза аминогликандар (мукополисахаридтер) мен тін сұйықтары
жасушаның негізгі құраушылары болып табылады.
Механикалық тұрғыдан карағанда төменгі модульді негізгі зат
мынадай үш функцияны атқарады: бір талшықтан екінші талшықка
таралатын күшті реттеу; бір талшықтан екінші талшыкқа күш тарал-
ғанда олардың үзіліп кетпеуін қамтамасыз ету; талшықтар босаған кезде
олардың арасындағы үйкеліс күшін азайту.
Жұмсақ механикалық ұлпалардың механикалық касиеттері тін-
дердің құрамындағыталшықтың, жасушаныңжәне негізгі затгыңөзара
әсерімен анықталады. Коллагеңдікталшықтұрғысынан қарағандатал-
шықтары бағыттас сіңірлер мен байлам құрылымдары ең қарапайым
құрылымдар болады. Бұл құрылымдар күшті бір бағытта — бұлшық
еттен сүйекке, немесе бір сүйектен екінші сүйекке таратады. Коллаген
талшықтары босаған кезде сіңір талшықтары толқын тәріздес болады.
Күш бұлшық еттен сүйекке өткеңде коллаген талшықтары түзу болады.
Қан тамырларының коллагендік талшықтары эластин талшықта-
рымен тегіс бұлшық еттердің жасушаларымен байланысты күрделі
кұрылым. Кезеңі өзгеретін күштің әсерінен қолқа қақпакшаларының
жапырақшаларының құрылысы ерекше болады.
133
§23. ЖҮРЕК-ҚАН ТАМЫРЛАР ЖҮЙЕСІНІҢ ҚҮРЫЛЫСЫ
ЖӘНЕ МЕХАНИКАЛЫҚ ҚАСИЕТТЕРІ
Атқаратынфункциясына және құрылыс жағынан қарағанда жұмсақ
биологиялық тіндердің ішінде жүрек құлақшалары мен қан тамырла-
рыныңалатын орны ерекше. Морфологиялықтұрғыдан карағандақан
тамырларын эластикалык, аралас және бұлшық еттік (тегіс бұлшық
ет ұлпалары басым болғандықтан) болып үшке бөлінеді (70-сурет).
Үлкен артериялықтамырлардыңкабырғалары үш қабатты болады:
1 — ішкі, 2 — орта және 3 — сырткы қабаттар. Ішкі қабат құрамына
эндотелий, астыңғы эндотелий және ішкі эластикалық мембранадар
кіреді. Тамырдың ішкі бетін жауып тұрған эндотелгй|ИІйҚ‘жасушаның
гемодинамикалық маңызы аса зор: олардыңбүтіндігініңбұзылуытром-
балардың пайда болуына әкеп соқтырады. Астыңғы эндотелий — жіңішке
эластикалық және коллагендік талшықтардан, байламдық — ұлпалық
жасушадан және негізгі заттан тұрады. Ішкі эластикалык мембрана
коллагендік талшықтармен оралған эластиндік талшықган тұрады.
70-сурет. Қантамырларыныңнегізгі бөліктерінің кұрылысы:
1 - ішкі кабат (интима); 2 — ортаңғы кабат (медия); 3 — сырткы қабат
(эдвеитиция); 4, 5 —ішкі және сыртқы эластикалык мембраналар;
6 - веналык қакпаша; 7 — капиллярлар
134
Ортаңғы қабат жиырылу бағыттары басқарылатын көптеген элас-
тикалық мембраналардың кұрылымынан тұрады. Тегіс бұлшық ет
талшықтары эластикалық мембранаға бекітілген.
Ішкі және сыртқы қабатқа жабысқан, көлденең коллаген әсерінен
бір құрылымда орналасқан шеңбер бойымен коллагендік фибрилла-
лардан және тізбек бойымен бағытталған жуан эластикалық талшык-
тардан тұратын сыртқы эластикалық мембрана (70-сурет, 4, 5) бар.
Веналардың кұрылысы — артериялардың кұрылысына ұқсас. Бірак
веналар қабырғаларын ішкі, ортаңғы және сырткы қабаттарға бөлу өте
қиын, тіпті кейде бөлуге мүмкіншілік болмайды. Артериялық тамыр-
ларға карағанда вена тамырларының ішінде қан қысымының өзгеруі
үлкен болады. Артерия тамырына қарағанда вена тамырларының
қабырғалары жұқа және эластикалық ұлпалары да аз болады, вена та-
мырларының сыртқы қабаты қалың және коллагендері көп болады.
Мысалы, венада коллаген эластиннен үш есе көп болса, кеуде жасу-
шасында екі есе ғана көп болады.
Пульстік кысымның әсерінен кан тамырларының қабырғалары-
на кезеңі өзгермелі жүктеме әсер етеді. Қан тамырлар қабырғалары
сызыкты — тұтқыр-серпімді болғандықтан, қорытынды деформация
фазасы бойынша Д<р бұрышына кейін қалады. Ол бұрыштың мәні
зерттелінетін материалдык қасиетіне байланысты болады. Осындай
материалдар үшін серпімділіктің динамикалық модулі былай анык-
талады:
Е = Е' + Е",
дин 7
мұндағы Е' — серпімді модулі; Е" — шығын модулі.
Е' = ЕсозДф.
Мұндағы Е — серпімділік модулі.
Динамикалық серпімділік модулі 1—2 Гц жиілікте көп өзгеріске
ұшырамайды. Ол төменгі жиідіктер кезінде өседі. Кешігу бұрышы (Д<р)
аз, мөлшерімен 10° шамасында болады. Егер жүрек соғысыныңжиілігі
2 Гц болса,
Е"/Е' < 0,123 болады.
Осы нәтиже сол ортада серпімді компоненттерге қарағанда тұткыр
компоненттердің аз болатынын көрсетеді. Егер қан кысымының өзгерісі
20—120 мм. сынап бағанасы мөлшерінде (2,5—15,0 кПа) болса, онда
қантамырлар қабырғаларының тұтқыр-серпімді қасиеті көрінеді. Ол
қасиет гистерезис бұғалығына ұқсайтын болады.
135
71-сурет. Вена артериясының деформациясына кан кысымының
өзгерісініңтәуелділігі: 1 — жүктеме; 2 — жеңілдену; 3 — статикалыкжүктеме;
4 - қалыпты жағдайдағы жүктеме (80-120 мм сынап бағанасы)
Артерия тамырлары кабырғаларының жарылу мүмкіншілігі әсер
етуші ішкі қысымға және деформацияға тәуелді болады. Деформация-
лаушы күштің жылдамдығы артқан сайын тамырлардың жарылу мүм-
кіншілігі де артады. Артериялық тамырлардың созылғыштық қасиеті
адамның жасына байланысты болады. Мысалы, 60 жаска келген адам-
ның артериялық кан тамырларыныңжарылу мүмкіншілігі 20 жастағы
адамға карағанда 2—3 есе көп болады.
§24. БҮЛШЫҚ ЕГТЕР ҚҮРЫЛЫСЫ
ЖӘНЕ БИОМЕХАНИКАСЫ
Жұмсақ тіндерге қарағанда бұлшық еттер адамның козғалысын
тыныс жолындағы ауаның қозғалысын, қанның қан тамырлар бойы-
мен қозғалысын және т.б. козғалыстарды қамтамасыз ету үшін жұмыс
атқарады. Бұлшық еттер екі топқа бөлінеді:
1) қанканың әртұрлі бөліктеріне бекітіліп ұлпаның негізін құрай-
тын көлденең жолақ бұлшық еттер — бұларды қаңқа бұлшық еттері
дейді жөне жүрек бұлшық еттері;
2) қан тамырларының, лимфа тамырларының және ішкі ағзалар-
дың қабырғаларының тегіс бұлшық еттері.
Бұлшыкеттер формалары қыска, жалпақ, үзын жәнежіңішкет.с.с.
әртүрлі болады. Қысқа бұлшық ет омырткалар арасында тереңде
136
72-сурет.
Иык фасциясы.
1-3 иық
бұлшык
еттерінің кыны
жатады. Олар көлденеңбұлшыкеттерден азғана ұзын
болады. Жалпақ бұлшық еттер адамның кеудесінде
болады, олардың ұзындығы мен ені калыңдығынан
үлкен болады. Бұлшық еттердің екі басында, басқа
ағзалармен жалғастырып тұратын сіңірлер болады.
Жалпақ бұлшық еттердің сіңірлері жұқа пластина
тәріздес, ал ұзын бұлшықеттердің сіңірлері цилиндр
тәріздес болады. Сіңірлер аса берік болады және өте
аз созылады.
Бұлшық еттер фасция деп аталатын байлам ұлпала-
рымен тығыз кдпталған. Егер бұлшық ет бірнеше қабат-
тан тұрса, оңда фасция ішкі, ортаңғы және сыртқы
пластиналарға жіктеледі (72-сурет). Жоғарғы кабаттағы
пластиналар бұлшық ет аралық фиброздың әсерінен
ішкі қабаттағы фасциямен косылып, бұлшық еттерді
әр топка бөліп, тереңге өтіп сүйек бетімен жабысады.
Бұлшық еттер қысқарғанда олар қалыңдап, бекі-
тілген нүктелері жақындап күш туғызады. Бұлшық
еттердің жеке-жеке қысқаруы өте сирек болады, аз
ғана қимылдың өзі бірнеше бұлшық ет топтарын
кимылға келтіреді.
Бұлшық еттердің құрылысын, олардың қысқару механизмін түсіну
үшін көдденең — жолақ бұлшық еттерді карастырсақ жеткілікті болады.
Ол бұлшық ет диаметрі 10—100 мкм, ұзындығы 10—15 см болатын парал-
лсль талшықтар жиынтығынан тұрады. 1000—2000 параллель орналаскан
жіңішкр тарамдардан тұратын талшықтар миофибрилла деп аталады.
Миофибриллалардың ішінде қатарлап орналасқан митохоңдрийлер бар.
Әр миофибрилла 7-мембранамен саркомерлерінің ұзындығы 2,5—
3 мкм, бірнеше учаскелерге (телімдерге) бөлінеді. Саркомер - қысқа-
руға қабілеті бар ең кіші құрылым. Саркомердің моделі 73-суретте
көрсетілген. 2-мембраналардыңарасында актинді жұқажәне миозинді
калың талшықтардан тұратын торлар орналасқан. Механохимиялық
реакция тудыратын миофибрилді зат түскеннен кейін (Са++ иондар)
талшықтар жиырыла бастайды.
Қаңқа бұлшық еттерінің жиырылу теориясының кең тараған моделі
ол — сырғанамалы талшықтар моделі. Осы теория бойынша саркомердің
белсенділІгі артқанда белсеңді және миозинді талшықтар көлденең
орналасқан көпірлер арқылы жабысады.
137
? 7.!
2 £
6
73-сурет. Көлденең-жолак
бұлшыкеті талшыктарынын
кұрылысының және
қыскаруьН^ЙІ!тызбасы: А -
жалпы сы’зба; Б — бастапқы;
В — қысқарудың бастапкы
фазасы; I—2—белсенді
және миозинді талшыктар;
3 — миозинді көлденең
көпіршелер
Талшықтар торы бір-бірініңішіне қарай сырғанай қозғалады, соның
нәтижесінде бұлшық етталшыктары қысқарады. Саркомердің қысқа-
ру процесінде көпіршелер бірнеше рет бекіп, иіледі, талшықты тал-
шық бойымен қозғайды және босап шығады. Көпіршелер жұмысына
энергияны АТФ-тен алады.
Қысқарғанда бұлшық еттер көлденең қимасына, бастапқы ұзын-
дығына және т.б. факторларға байланысты үлкен күш тудырады. Көлде-
нең қимасы 1 см2 бұлшық еттің жиырылу күшін абсолютті бұлшык ет
күші дейді. Әрбір бұлшық еттің жиырылу күші және қуаты адамның
жасына, жынысына, шынығуына және т.б. физиологиялық шарттар-
ға тәуелді болады. Тегіс бұлшық еттер өздерінің қасиеттеріне қарай
қаңқа бұлшыкеттерінен ерекше болады. Тегіс бұлшықеттерде ақуыз-
дар ретпен орналаспайды және талшыктарының өлшемдері де кіші
138
болады. (диаметрі 4—8 мкм, ұзындығы 500 мкм-ге дейін). Олардың
жасушалары өзара протоплазмалық көпіршелермен жөне миофибрил-
лалармен жалғасады. Теғіс бұлшық еттердің қозуы көлденең жолақ
бұлшык еттермен салыстырғанда көп төмен болады, ал қысқару пе-
риоды үлкен болады.
Жұмсақ бұлшық еттердің автоматты жиырылу қасиеті аса зор.
Автоматты жиырылуды тудыратын тітіркендіргіштер ретінде бұлшық
еттің өз ішіндегі зат алмасу процесі немесе қанмен келген энергия
болуы мүмкін.
Бұлшык еттер әсер ету органына (жүрек, тамырлар, өңеш және т.б.)
және коздырғышы сигнал әсеріне жауап беру жылдамдығына байла-
нысты (тез және бояу) болып бірнеше түрге бөлінеді. Солай болса да
олардың химиялык құрамдары бірдей: су — 75%, ақуыздар — 20%-ға
дейін, АТФ - 0,4%-ға дейін болады.
Бұлшык еттін ұзындығын өзгермейді деп санап, оған әсер етсе,
онда оның жиырылу күші артады, ал оған тұрақты жүктемемен (күш-
пен) әсер етсе — кысқарады. Сондықтан бұлшық еттердің ұзындығы
өзгермейтін болса, ондаоларды изаметрлікреп, алтұрақты жүкпен әсер
еткенде бүлшық еттердің қысқаруын изотондык, деп атайды (74-сурет).
Изометрлік әсер өте тез болады да өзінің максималды 170 мс уакытта
жетеді де, 200 мс-тен бастап сондай жылдамдыкпен баяулайды.
Изотондық жекелеп жиырылу изометрлік жиырылудан ерекше.
Сыртқы әсер етуші күшпен бұлшықет жиырылуы теңескенде изотон-
дық жекеленген қысқару процесі өтеді. Сондыкган жүктеме өскен
74-сурет
уақыт, мс
139
сайын жеке жиырылу кешігеді. Жүктеме өскен сайын бұлшық етгердің
жиырылуы бастапқы сәтте максималды мәніне тез жетіп, сызықгы
байланыста болады. Одан кейін бұлшық етгердің босаңсу жылдамдығы
артып, жүктеме белгілі бір шамаға жеткенде тез тоқтайды. Егер
жүктеменің шамасы изотермиялық әсермен теңессе, онда бұлшық
еттердің сыртқы қысқаруы болмайды. Егер жүктеме болмаса, онда
бұлшықетгердің жиырылу жылдамдығы максималды болады. Жүктеме
мен бұлшық ет қысқару жылдамдығының арасындағы байланыс
75-суретте көрсетілген.
Бұлшық еттерге серпіністі тітіргендіргіштер әсер еткенде екінші
және одан кейінгі импульстердің әсерлерІ әртүрлі болады. Мысалы,
температура 0°С, сигнал аралығындағы үзіліс 5 мс болса тітіркендір-
гіштер бақаныңтігінші (портняжная) бұлшық етіне ешқанһай қосым-
ша механикалық реакция тудырмайды. ТітіркендіргІштІң жиІлІгІ 2 Гц
болғанда бұлшық еттің босаңсу фазасы 2/3-ке жеткенде серпіністер
әсер ете бастайды. Бұлшық ет оны сезіп жекеленіп жиырылады, бірақ
ол жаңа серпіністің әсерінің аяғына жетпей тез тоқтайды. Соның
нәтижесінде әр максимумы жеке серпініске сәйкес келетін толқьін
пайда болады.
Егер бұлшық етгің массасын ескермесе, онда бұлшық етгің жиы-
рылу күші Ньютонның ІІ-заңына сәйкес мынаған тең болады:
Ғ = та + Р. (1)
Мұндағы т — жүкгің массасы; а — оның үдеуі; Р — бұлшық етгің
жиырылу күші, оны сыртқы күш деп атайды.
140
Бұлшық еттің механикалық касиетін анықгау үшін бұлшы< етгің
жиырылу күші мен оның көтеретін жүгінен басқа мынандай шамалар-
ды ескеру қажет: оның қысқару жылдамдығы о = дх/ді (дх — бүлшық
еттің қысқару мөлшері, ді — уақыт аралығы); жүкті орнынан ауысты-
ру (х) үшін атқарылған жұмыс А = Рх; механикалық куаты Ро, бөлініп
шыққан жылу мөлшері 0х; жиырылудың жалпы жүмысы XV = Р х+А;
жалпы қуаты ДХУ/ді. Осы сипаттамаларыныңарасында мынандай бай-
ланысы барГ
(2)
(3)
----= Рь> +— = Рь>+-^.
<іі <іі <іі
Пайдалы әсер коэффициенті:
Рі>
/7 =-------.
аміЛі
Бұл теңдеулерде жүктеме Р, жиырылу жылдамдығы о және бөлініп
шығатын жылу мөлшері тәуелсіз айнымалылар ретінде қарастырыл-
ған. Бірақ 1938 ж. Хилл бұлшық еттердің жұмысының нәтижесінде Р,
о және Ох-тІң арасында байланыс бар екеніндігін дәлелдедІ.
Алғашқы тәжірибесінде Хилл сыртқы күш Р тұрақты болғанда
бұлшық еттің изотонды қыскару нәтижесінде бөлініп шыққан жылу
мөлшерін анықтаған. Сонда х-шамасында жиырылған бұлшық еттен
бөлініп шыққан жылу мөлшері мен изометр режиміндегі (х=0) бөлініп
шыққан жылу мөлшерінің айырмасы бұлшық еттің қысқару нәти-
жесінде бөлініп шыққан жылу мөлшеріне тең екендігі дәлелденген.
Осы тәжірибе нәтижесінде бөлініп шыққан жылу мөлшерІ Охжүктің
шамасыңа Р тәуелсіз екендігі және ол қысқару шамасына тура про-
порционал болатындығы дәлелденген, яғни
□ = а х. (4)
Мұндағы а — осы бұлшық еттің тұрақгы коэффициенті, өлшем бір-
лігі - күштің өлшем бірлігіндей.
ЕкІншІ тәжірибесінде Хилл бұлшық етке әсер етушІ сыртқы
күшпен Р оның изотондық қысқару жылдамдығының арасындағы
байланысты зерттей келіп жалпы куат пен сыртқы күштің арасын-
дағы байланысты анықгайды:
----= Рь> + а— = (Р + а)ь>.
4і <іі
(5)
141
Р-ның өзгерісіне сызықты тәуелді екенІ анықталған, яғни
(Р+а) о = в(Р0-Р). (6)
Мұндағы в — тұрақты шама, өлшем бірлігі жылдамдықтың өлшем
бірлІгіндей (м/с). Егер о =0 болса, онда Ро= Р болады, мұндағы Ро —
бұлшық еттің изометриялық режимде жиырылуына сәйкес келетін
күш. Жылдамдық пен сыртқы күштің арасындағы тәуелділіктің (5)
формуламен есептелген нәтижесі 76-суретте көрсетілген. (4) және (6)
теңдеулердегі бұлшық еттердің.жиырылуын анықтайтын Хилл
теңдеулері дейді.
§25. БҰЛПІЫҚ ЕТ ЖИЫРЫЛУЫНЫҢ
МЕХАНИКАЛЫҚ МОДЕЛІ
Бұлшық еттердің биофизикасына көз жеткізу үшін олардың құры-
лысын, энергиясын және бұлшық ет механикасын бірге қарастыра-
тын математикалык модель құру қажет. Ол үшін, көпшілік жағдайда,
қалың бұлшық еттердің модельдерін құрады.
Хаксли-Дещеровский моделі сырғанамалы талшықгар теориясына
сүйенген. Бұл модельде актин мен миозиннің жіңішке және жуан тал-
142
шықтары көлденең көпіршелер арқылы өзара әсерлесуін және актин
миозин көпіршесінің үш күйін ескереді: 1) тұйықталған, созылатын
және біртіндеп артатын күш; 2) тұйықталған, сырғанамалы тежейтін
күш; 3) ажыратылған көпіршелер.
Бұл теория бойынша жиырылған кезде көпіршелер тұйықталады
да талшықтарды тартып белсенді жиырылу тудырады. Одан кейін
ығысудың белгілі бір мәніне жеткенге дейін тежейді де, акырында
үзіледі. Осы процестің кинетикалық тендеуін былай жазуға болады.
СІП 1 , \ , , .
— = Қ («0-п-т)-(о/Ь)п\ (1)
— = (у! к)п-к2т.
& у ’ 2
Мұндағы к0 — активті көпіршелердің саны; п — созылатын көпіршелер
саны; т — тежегіш көпіршелер саны; о/£ — талшықтардыңорын ауыс-
тыру жылдамдығы; Ь — белсенді орталардың арақашықтығы; к{, к2
молекулалық константалармен анықталады.
Қарастырылған процесс үшін Ньютонның І1-заңын былай жазамыз:
сһ) „ / Ч г-
ті ~ - т2) - Ғп0, (2)
т( — орын ауыстыратын масса; Ғо — созылатын бір көпіршенің әсер
күші; Ғ — көпіршеге әсер ететін сыртқы күш.
Қалыпты жағдайда
с/н сіт л сһ) л
— =-----= 0 және — = 0.
(11 (11
Олай болса (1) және (2) теңдеулерден мынаны аламыз
(Ғ+а)о = в(Ғ0-Ғ), (3)
мұндағы а = к, Ғ0(к+к2); в = к(к2 Е(к(+к2).
3-теңдеуді барлық шамалар бір көпіршеге келтірілген сырғанама-
лы талшықгар моделі үшін Хил/і теңдеуі'дейді.
Микроскопиялық модельдің кемшілігі ретінде мыналарды айтуға
болады:1) модель тек қана сырғымалы қаңқа бұлшық еттерінің жиы-
рылу процесін сырғанамалы талшыкдар теориясы арқылы түсіндіреді;
2) модель тетанустың ғана күйін түсіндіре алады.
143
Бұлшық еттердің жиырылуын толық түсіндіретін модельдерге
мынандай талаптар қойьілады: белсенді бұлшық еттердің құрылысы
мен қасиеттерін карапайым әдістермен түсіндіру; саркомердің құры-
лысы туралы ұғымдарды колданбау керек; физиканың, химияның
жетістіктерін қолдану; үшөлшемдік (ұзындығы, ені, биіктігі) тензор-
лық - инварианттық түрде тұжырымдалуы керек; мүмкін болғанша
қосымша гипотезалар аз болуы керек.
Модельдің алғы шарттары мыналар:
а) механохимиялық реакциялар кезінде босаған энергияны бұлшық
еттің бірден жұмысқа қосуы;
б) механохимиялық реакциялар бұлшық еттердің барлық көлемінде
өтуІ;
в) бастапқы химиялық реагенттер де бұлшық еттердің барлық
көлеміне таралуы;
г) бұлшық ет ұлпалары анизотропты, тұтқырлық және серпімділік
қасиеттері бар. Бұлшық еттердің тұтқырлығы негізінен миофибрил-
лаға тәуелді болса, серпімділігі байлам тіндерінің баска құрылымда-
рының әсерінен болады.
Бұлшық еттер, сіңірлер, қан тамырлар, өкпе тіндері және т.б. био-
логиялық құрылымдар тұтқыр серпімді немесе серпімді тұтқыр бо-
лып келеді. Сыртқы күш әсер еткеыде биологиялық тіндерде өтетін
механикалық процестердІ идеал серпімді жөне тұтқыр элементтердің
жиынтығы түріңде қарастырайық.
Серпімді элементтің мысалы ретінде серпімдІ серіппені қарасты-
райық (77-1, а-сурет). Гук заңы бойынша серіппедедеформация бірден
тарайды (77-1, б-сурет), бірден өзгеріп одан кейін тұрактькболады
Мұндағы <7 = — кернеу; Ғ— әсер етуші серпімді күші; 5 — көлденең
5
қимасының ауданы; Е - серпІмділІк модулі; е=Д///0 — салыстырмалы
деформация; /0 — бастапқы ұзындығы; Д/ — деформация кезіндегі
ұзындыктың өзгерісі.
Осы деформацияның өзгеру жылдамдығы
І£с _ I (1(7
11 Е сЕ
(5)
144
5—даш
77-сурет
Тұтқыр элементтің мысалы ретінде ішіне тұтқыр сұйық құйылған,
жылжымалы поршені бар цилиндрді (77-2, а-сурет) қарастырайық.
Салыстырмалы деформация үшін
Мұндағы г] - сұйықтың тұтқырлық коэффициенті.
Тұтқыр деформацияның өзгеру жылдамдығы
<І£Л _ <7
<ІІ 7
(7)
145
(4) және (7) теңдіктерден
Л/ __ сғг
4 п ’
, , сгг , Ғі
Ы. ~ — /0 — . (8)
7 Л'7
Олай болса тұтқыр деформация кезінде ұзындьіқтың өзгерісІ сы-
зықты болады екен (77-2, б-сурет).
Жүйенің серпімдІ және тұтқыр қасиеттерін ескеретін ең қарапай-
ым модель Максвелл моделі (77-3, а-сурет). Осы модельдің ерекшелігі
мынада: сыртқы күшпен әсер еткенде серіппе Гукч$Й&і бойынша,
бірден ұзарады, ал поршень тұрақты жылдамдықпен біртіндеп қоз-
ғалады.
Егер Максвелл моделін тез созып, сол созылу күйін бекітсе, онда
деформация сақгалады. Серіппе тез созылғаннан кейін, қысқара келіп
поршеньді суыра бастайды. Біраз уақыт өткеннен кейін кернеу азая
бастайды.
Осы модельді математикалық түрде жазайық. СерпІмді деформа-
цияның өзгеру жылдамдығын (5) тендеуден, тұтқыр деформацияның
өзгеру жылдамдығын (7) ескере отырып жалпы деформацияның өзгеріс
жылдамдығы мынаған тең деп жазамыз:
сІ£ СІ£ СІ£, 1 сіа сг /пч
СІІ СІІ СІІ Е сіі 7/
7сТ л ?
Егер су = со8 і болса, онда-= 0 болады, соны ескеріп (9) теңдеуді
сіі
былай жазамыз
і £т (Т . а .
—- -- — немесё а £ = — аі.
сіі 7/ 7
Соңғы теңдеуді і және е бойынша интегралдайық
е 1
Г I ст с , &
I (І£ - — ШГ, £ = —І .
0 7 о 7
СІ£
Егер е - со8 і және — = 0 болса, онда (6) тендеуді былай жазамыз
146
1 (і<т & сіст Е .
------=-----немесе --------=——сц.
Е сһ 7/ (7 Г]
Осы теңдеуді уакыт О-ден /-ға дейін өзгереді деп, ал кернеу сг0-ден
сг-ға дейін өзгередІ деп интегралдайық:
7 і(У Е‘с
| — = — \Л,
, а Е
осыдан ш — = - — і.
Олай болса, сг = сг0 е .
Бұл теңдеу кернеудің релаксациясына сәйкес келеді. (І)-теңдеу-
Д/ сг .
ден — = — екенін және сг-ның мәнін ескерш деформациялық ұзару-
ды анықтайық
Осыған сөйкес келетін абсолют ұзару 77-3, 6-суретте көрсетІлген.
Максвелл моделі бойынша бұдан бұрын көрсетілгендей, сыртқы
күштің өсерінен серіппе бірден созылады. Реалды жағдайда полимер
ортада тұтқыр-серіппелі ортада деформация сыртқы күштің әсерінен
бірден пайда болады. Сондықтан ең ұтымды модель Кельвин-Фойх-
тың моделІ (77-4, а-сурет).
Осы модель бойынша лездік кернеу мынаған тең:
І£
іі
Осы теңдеуді (4) теңдеуден с =Ее және (7) теңдеуден (7 = т]—
ескеріп былаи жазамыз:
_ (І£ І£ (ІІ
(7 = һ£ + п — не.месе ------------= —.
сіі а~Е£ г]
147
Осы тендеуді интегралдайық:
сіе
с - Ее
1, <у-Ее і
---1п------- = -;
Е (5 ц
осыдан
осыдан
немесе
Мұндағы £ = — екенін ескеріп соңғы тендікті былай жазамыз:
( -М
& 1-е І}
Ы = 1—±--------
Е
Осыған сәйкес келетін деформация кезіндегі ұзындықтың өзге
руі 77-4, 6-суретте көрсетілген.
Бірақ бұл модель де бұлшық ет жиырылуын толык түсіндіре ал
майды. Бұлшық ет жиырылуына ең жақын модель тұтқыр-серпімді -
серпімді модель 77-5, д-суретте көрсетілген. Осы модель бойынша де
формация кезіндегі ұзындықтың өзгеруі 77-5, б-суретте көрсетілген.
148
§26. БҮЛІПЫҚ ЕТ ЖҮЙЕСІНІҢ ЭЛЕКТРЛІК МОДЕЛІ.
РЕОГРАФИЯНЫҢ НЕПЗІ
Адам ағзасы электр өтімділігі тұрғысынан қарағанда өткізгіштерден
және диэлектриктерден тұрады. Мысалы, тіндердің тығыз бөліктерін
құрайтын органикалық заттар (белоктар, майлар, көмірсулар) электр
тогын өткізбейді, яғни диэлектриктер қатарына жатады. Ал адам ағза-
сындағы барлық тіндер мен жасушалар сұйық ортада орналасқан, яғни
олар электролиттер. Сондықтан олар электртогын жақсы өткізеді, яғни,
өткізгіштер қатарына жатады.
Адам ағзасының әр бөлігі электр тогын әртүрлі өткізеді. Жұлын
сұйығы мен қанның сарысуы (сыворотка крови) электр тогын өте
жақсы өткізсе, қан мен бұлшық еттер нашарлау өткізеді. Бұлар
өткізгіштер қатарына жатады да басты сипаты Ка — белсенді кедергі
болады. Терінің мүйіз қабығы, сіңірлер және сүйектер электр тогын
өткізбейді — олар диэлектриктер тобына жатады.
Адам ағзасының тіндері сұйықтармен қоршалған құрылымдық
элементтерден - жасушалардан тұрады. Осындай элемент электр то-
гын жақсы өткізетін тін сұйығы мен цитоплазма жасушаларынан және
оларды бөліп тұратын, токты нашар өткізетін мембранадан тұрады
(78, й-сурет). Олай болса адам ағзасында белсенді кедергімен (Ка) қатар
электрсыйымдылығы (С) болады екен. Тіннен тұрақты электр тогы
өткенде мембрананың қарама-қарсы беттерінде таңбалары әртүрлі ион-
дар жинақталып конденсатор типтес (78, 6-сурет) жүйе кұрайды.
Адам ағзасын құрайтын заттар негізінен - амагнетиктер, яғни ағза
тіндерінде магниттік қасиет болмайды деуге болады. Сондыктан
индуктйвтілік қасиеті де аз, тіпті жоқ деуге болады.
78-сурет
149
Сонымен адам ағзасында электр өтімділігі тұрғысынан қарағанда
Яа - белсенді кедергі (немесе оны омдық кедергі дейді) және Кс — сый-
ымдылықты кедергі болады екен. Енді осы кедергілерді қарастырайық.
Белсенді кедергіде электр энергиясы қайтымсыз түрде өткізгішті
қыздыруға шығындалады. Егер тізбекте тек қана белсенді кедергі бол-
са (79, я-сурет), онда Ом заңы орындалып, ток пен кернеу бір фазада
өзгереді. Осы өзгерістің графигі 79, б-суретте, ал векторлық диаграм-
V
масы 79, в-суретте көрсетілген. Ом заңы бойынша I = — . Мұндағы
7?
I — ток күші, V - кернеу, — активті (омдық) кедергі, осыдан
V А
К = — өлшем бірлігі К = 1 — = 1 Ом .
I В
Өткізгіштердің электр сыйымдылығы (немесе тек қана сыйымды-
лығы) деп аталатын ұғымды кдрастырайық.
Сыйымдылық деп өткізгіштің өз бетіне электр зарядтарын жинақ-
тау шамасын айтады. Ол өткізгіш зарядының оның потенциалына қаты-
насымен өлшенетін физикалық шама.
Ал өткізгіш потенңиалы тек оның зарядына ғана емес, оның айна-
ласындағы денелердің зарядына да байланысты. Олай болса биология-
лық тіндер үшін сыйымдылық ұғымының маңызы өте зор. Сонымен
150
электрсыйымдылығы өткізгіш зарядының өсімшесінің оның потен-
циалының өсімшесіне кдтынасымен анықталады, яғни
с1с{ _ Кл (Кулон)
сіср В (Вольт)
= 1Ф (Фарада).
Фарада аса ірІ өлшем бірлігі, сондықтан іс жүзінде сыйымдылық-
тың бірлігіне фараданың миллионнан бір үлесіне тең микрофарада
(м к ф) деп аталатын кішкене бірлік қолданылады,
1 мкФ = 10'6 Ф.
Сонымен қатар пикофарада (пф) деген өлшем бірлігі де қолданылады.
80-сурет
ТІзбекте тек қана сыйымдылғы С коңденсатор болсын (80, а-сурет).
Осы тізбекке шамасы төменгі теңдеумен анықгалатын айнымалы кер-
неу берілсін
1/ = 11 „, * 8Іп <У/. (1)
Соңда тізбектегі кернеудін лездік шамасы осы кернеу мен конден-
сатор астарлығындағы потенңиалдардың (<рс = ц/с) айырмасына тең
болады. Олай болса
11 „, 8Іп 0)1 - — = 0 бүдан ц = СОтзіп соі
151
ток күші
СІЦ СІСС,,, 8ІПГ/Д
СІІ сіі
= соСС, -СО8ШГ = СОСІІ -зіп смл—
І’Г I <’)
немесе
= О)СС)п -8ІП шіл-~
(2)
(1) және (2) тендікті салыстыра келіп мынандай қорытындыға
келеміз:
а) тізбектегі токтың өзгерісі де кернеудің өзгерісі^иц^инус немесе
косинус заңына толық бағынады.
б) Тізбектегі электр тогы фазасы бойынша кернеуден л/2 бұрыш
озықболады. Оныңвекторлықдиаграммасы 80, в-суретте кескінделген.
(2) тендеудегі I = соС12т— токтың максимал мәні. Олай болса оны
Ом заңымен салыстыра келіп мына қорытындыға келеміз:
II п 1
I -—яғни ,
п' Қ. шС
К - кедергісіне сыйымдылық кедергісі дейді. Сонымен қатар ол
кедергіні реактивті кедергі дейді. Оның себебі, айнымалы ток тіз-
бегіндегі конденсатордан ток өткенде, ол қызбайды, яғни жылу энер-
гиясы бөлініп шықпайды, оның орнына ток пен кернеудің арасында
фаза айырмасы пайда болады. Ол фаза айырмасы л/2 — тең (80, б-сурет).
Егер айнымалы ток тізбегіндетекбелсенді кедергі (Еа) менреактивті
сыйымдылықты (Ес) кедергі болса толық кедергі былай анықталады
(81-сурет).
81~сурет
152
и = + С = ЦҚ: + л2
мұндағы
+ К; =г
деп белгілейік, оны тізбектіңтолықкедергісі немесе импеңдансы дейді.
Сонда тізбектің толық кернеуі мынаған тең болады
О 12.
Айнымалы ток тізбегінде — белсенді және Кс — сыйымдылық-
ты кедергілер болса, онда кернеу мен токтың арасындағы фазалық
бұрыш былай анықталады.
_ 1 1
соС
мұндағы ф — фазалық бұрыш, оны фазалық ығысу деп те атайды
(81-сурет).
Адам ағзасы электр тогын өткізетін өткізгіштен және электр тогын
өткізбейтін диэлектриктен тұрады. ӨткізгіштердІң арасыңда орналас-
қан диэлектриктер бір-бірімен жұптаса келіп конденсаторлар құрай-
ды. Олай болса адам ағзасының эквиваленттік электрлік схемасында
белсенді кедергі мен конденсатор болуы керек.
Ондай тізбектің ен қарапайым түрі тізбектей қосылған конденса-
тор (С) мен кедергі (К) болар еді (82, а-сурет). Бірақ ол тек қана терінің
82-сурет
153
сыртқы қабатындағы электрлік процесті сипаттайды. Тереңде жатқан
тіндер электрөтімділігі тұрғысынан қарағанда 82, 6-суретте кескіндел-
ген. 82, в-суреттегі схеМа тірі тіндердің электрлік қасиетіне өте жақын
келеді.
Тіндер кедергісінің электр сигналының жиілігіне төуелді өзгеруі
олардың физиологиялық күйін сипаттайды. Мысалы 83-суреттегі
1-қисық тІрі тін, 2-қисық — жарақаттанған тін және 3-қисық — өлі
тіннің кедергілерінің жиілікке тәуелділігін көрсетеді.
83-сурет
Осындай тіндердің электрлік параметрлері (кедергісі, сыйымды-
лығы, диэлектрліктік тұрактысы және т.б) сол тіндердің физиология-
лық күйіне төуелді екенІ көрінеді. Сондықтан тіндердің электрлік
параметрлерін анықгау түрліше зерттеулерде, әсіресе диагностикада
кеңінен қолданылады.
Мысалы, тіннің бір бөлігінің толық кедергісі (импедансы) шеткі қан
тамырларының қанмен қамтамасызетілуін сипаттайды. Осындай әдісті
реография дейді. Алынған қисықгы реограмма дейді.
154
ҮІ-тарау
МВДИЦИН АЛЫҚ Қ¥Р АЛД АР МЕН АПП АРАТГ АР
Медицинада қолданылатьін құралдар мен аппараттардың негізін
медициналық электроннка құрайды. Электроника — өткізгіштерде
және жартылай өткізгіштерде өтетін электрлік құбылыстар туралы Ілім.
Медициналық электроникаға электрондық құралдарды аппараттарды
және жүйелерді жасау және оларды медицинада қолдану мәселелерІ
кіреді. Электрондық құралдардың жұмыс принципі электр зарядта-
рының вакуумда, газда немесе катты денелердегІ қозғалысына негіз-
делген.
Электрондық құралдардың көмегімен энергияны бІр түрден екінші
түрге түрлендіруге болады. Мысалы, жарықсәулесінің энергиясын электр
энергиясына айналдыруға; жылдамдық, температура және кысым
сияқты электрлік емес шамаларды электр сигналдарына түрлеңдіруге
болады.
Медициналық электрондық техника медико-биологиялық ақпарат-
ты алуға, тіркеуге және таратуға қолдануымен қатар адам ағзасына әсер
ету үшін де (физиотерапияда және электрохирургияда) кеңінен қолда-
нылады.
Медициналық электрондық аппараттардың дамуының басты ба-
ғыты — күрделІ жүйе түрінде қарастыру, блоктары мен бөлшектерін
стандарттау, көлемін кішірейту, тұтынатын электр энергиясын азай-
ту, берІктігін арттыру және басқару жүйесін қарапайым ету.
Қблдану бағытына байланысты электрондық-медициналық аппа-
раттарды шартты түрде мынандай үш топқа бөлуге болады (схеманы
қараңыз); функционалдық диагностика, емдеу мақсатында адам ағза-
сына әсер ету (физиотерпаия және электрохирургия), электрондық-
есептеуіш машиналар жүйесі.
Функционалдық диагностикада әдістер үш топқд бөлінедІ: а) ағза-
ның биопотенциалдарын тіркеу (электрография); б) электрлік емес
шамаларды тіркеу (фонокардиография, баллистокардиография, сфи-
гмография, реография және т.б.); в) эндо-жөне радиотелеметрия (адам
ағзасының функциясын қашықтан бақңілау).
Электротерапия жөне элеқтрохирургия адам ағзасына электрлік
факторлармен әсер етіп емдеу мақсатында қолданылады. Бұл топта
155
тұрақты және айнымалы токтар, тұрақты электр және магнит өрістері
қолданылады.
Электрондық есептеуіш машинаны қолдану аясы аса кең. Ол
мәселені қарастыру медициналық биофизиканың шеңберінен бөлек,
информатика пәнінің еншісі болады.
§ 27. МЕДИКО-БИОЛОГИЯЛЫҚ АҚПАРАТТАРДЫ
АЛУ ҮШІН ҚОЛДАНЫЛАТЫН ЭЛЕКТРОДТАР
МЕН ДАТЧИКТЕР
Адам ағзасында өтетін және өлшеуге болатын параметрлерді екі
топқа бөлуге болады: тікелей өлшеуге болатын параметрлер және
тікелей өлшеуге болмайтын, бірақ жанама тәсілмен анықталатын
параметрлер.
Тікелей өлшеуге болатын параметрлерге жүрек бұлшық еттерінің
жиырылуы, температура, биоэлектрлік потенциалдар жатады. Тікелей
өлшеуге болмайтын, бірақ жанама тәсілмен аныкталатын параметрлерге
156
мыналарды жатқызуға болады: адам денесінің бір учаскесінің электр-
лік кедергісін анықтау арқылы сол учаскенің қанмен қантамасыз ету
шамасын анықтауға болады; тіндердің жарықты жұту шамасы сол ағза-
ның көлемі туралы ақпарат береді және с.с. көптеген әдістер бар.
Медико-биологиялық ақпаратты алуға арналған кондырғыларға
қойылатын басты талаптар:
— адам ағзасынан алынатын биопотенциалдардың және баскадай
медико-биологиялық ақпараттардың пішініне ақаудың мейлінше аз
болуы;
— алынатын ақпаратты қоршаған ортаның зиянды әсерінен қорғау;
- ағзаға зиянсыз болуы;
- зарарсыздауға (стерильдеуге) қолайлы және бірнеше рет қолда-
натындай болуы керек.
Медициналық-биологиялық ақпаратты алуға арналған құралдар
электродтар мен датчиктер болып екі топқа бөлінеді. Электродтар адам
ағзасында пайда болған биопотенциалдар алу үшін, ал датчиктер адам
ағзасында өтетін электрлік сигналдарына түрлендіру үшін колданылады.
§ 28. ЭЛЕКТРОДТАР
Электрөдтар деп электр тізбегінің бір нүктесін сол тізбектің екінші
нүктесімен қосуға арналған арнайы пішінді өткізгішті айтады.
Биоэлектрлік потенциалдарды алынатын мүшесіне байланысты
түрліше атайды. Мысалы, ЭКГ (электрокардиография) — жүрек по-
тенциалдарын зерттеу, ЭЭГ (электроэнцефалограф) — мидың биопо-
тенциалдарын зерттеу, ЭМГ (электромиография) - жүйке бағанасы
мен бұлшық еттердің биопотенциалдарын зерттеу және т.б. әдістер бар.
Сонымен қатар электродтар адам ағзасына электр сигналдарымен әсер
ету үшін де қолданылады. Мысалы: кардиостимулятор - жүректің
функционалдык мүмкіншілігін арттыру үшін және адам ағзасына
арнайы пішіндІ электр сигналдарын енгізіп, шығыс жолында сол
сигналдың пішіннің өзгеруін диагностикада қолдануға болады.
Қорыта айтқанда, электродтар медицинада мынандай үш бағытта
қолданылады:
а) адам ағзасындағы биопотенциалдарды тіркеп оны диагностика-
да қолдану;
ә) адам ағзасына үздікті электр сигналдарымен әсер ету. Сол арқы-
лы жүйенің функционалдық қабілетін арттыру (электростимуляция);
157
б) адам ағзасына түрліше пішінді (үздікті) сигналдармен әсер етіп,
олардың өзгерісін диагностикада қолдану (электродиагностика).
Адам ағзасындағы пайда болатын биопотенциалдар өте әлсіз бола-
ды. Сондықтан да оларды диагностикада қолдану мақсатына жеткізу
үшін күшейткіштер қолданылады.
Сигналдарды күшейткенде күшейткіштің кіріс тІзбегіндегІ ІшкІ
кедергінің (Кк) биологиялық жүйенің сыртқы кедергісі мен (Кс) ара
қатынасын ескеру керек.
Егер күшейткіштің кірісіндегі Ішкі кедергімен (Кк) сыртқы кедергі
(Кс) тең болса (Кк=Кс) онда күшейтілетін сигналдың максималды қуаты
күшейткіштің кірісінде төмендейді. Ом заңына ц бойі^щ^
Ь»=®к + іқ. (1)
мұндағы ебп - биопотенциал көзінің электр қозғаушы күші (ЭҚК).
Осы формуладан ток күшін табамыз
1= Еі" . (2)
/?, + Яс
Күшейткіштің кірісіндегІ кернеудің (Ок) формуласындағы ток
күшінің мөнін (2) орнына қоямыз.
Осьщан мынандай қорытынды жасауға болады.
Егер Ок -> 0 болса, оңда Кк -> 0 жөне Кк -> оо оңда -?» е5п олай
болса, кіріс тізбегінде ток болмайды, яғни сигнал көзінен ток тарал-
майды. Осы мәселе тізбектін ішкІ кедергісінің (Кс) мәндерін сәй-
кестендіріп алуға мәжбүр етеді. Көпшілік тәжірибелерде ішкі
кедергі (Кк) сыртқы кедергіден (Кс) 15—20 есе көп болатындай етіп
алынады. Күшейткіштің кірісіндегі сыртқы кедергісі деп адам терісі
мен электродтың арасыңда пайда болатын кедергінІ айтады. Осы
кедергіні өтпелі кедергі деп те атайды.
Өтпелі кедергінің мәнІ электрод жасалған металдың табиғатына,
адам терісінің қасиетіне, электродтың ауданына байланысты болады.
Электрод пен құрғақтерінің арасындағы өтпелі кедергІ өте көп бола-
ды. Оны азайту үшін электрод пен терінің арасына физиологиялық
ерітіндіге шыланған жұка дәке салынады. Ол кедергінІ электродтың
158
ауданын үлкейту арқылы да кішірейтуге болады. Бірақ, электрод-
тың ауданы үлкейген сайын оған коршаған ортаның қарсы әсерІ де
өседі, сөйтіп қабылданатын сигналдың пішініне ақау енгізеді.
Мысал ретінде ЭЭГ-ны алу үшін қолданылатын электродтардың
ауданы ЭКГ-ны алудағы электродтың ауданын өте кішкентай етіп
алады.
Тізбектен электр тогы өткенде электрод пен адам терісі арасында
пайда болған гальваникалық ЭҚК әсерінен потенциалдар айырымы
өзгереді. Гальваникалық ЭҚК негізгі электр қозғаушы күшіне қара-
ма-қарсы бағытталады. Осыны электродтың гальваникалык поляриза-
циялануы дейді. Поляризаңиялану потенциалының көптеген себептері
бар және уақыт аралығында кең интервалда өзгереді. Оған әсер ететін
себептер мыналар: электродтыңтабиғаты, электролиттіңқұрамы,тем-
пература және т.б. Осы өзгеріс тіркелетін сигналдың пішініне ақау
енгізеді. Мәселен, металл электродты электролитке батырғанда металл
мен ерітіндінің арасында кажетсіз потенциалдар айырымы пайда бо-
лады (электрод потенциалы). Осы поляризацияны азайту үшін элект-
родтың материалын және электролиттің құрамын мұқият таңдап алу
керек. Сондықтан медициналық-биологиялық ақпаратты алуға арнал-
ған электродтар алтыннан, күмістен, платинадан, палладийдан және
т.б. металдар мен металл қоспаларынан жасалынады.
Мысал ретінде қазіргі кезде медико-биологиялық ақпаратты алуда
кеңінен қолданылатын кейбір электродтардың құрылысымен және
жұмыс принципімен таныстырайық.
Электродтардың конструкциясы әртүрлі. Мысалы, жалпақ, шар
тәрізді, ине тәрізді, сорғышқа бекітілген, терінің астына кіретін
және т.б. түрлері бар. Солардың ішінен электрокардиограмманы алу
үшін қолданылатын сорғышқа бекітілген және жалпақ электродтар-
ды, электроэнцефалограмманы алу үшін қолданылатын шар тәрІздІ
электродты және мембрананы зерттеуге арналған микроэлектродтар-
ды қарастырайық.
ЭКГ-ні алуға арналған электрод-сорғыштың сыртқы беті ретінде
(84 а-сурет) желіммен бекітілген жұқа үлбІ (пленка) (1) қолданылады.
Ол электродты жабыстыруға қолданыладьі. Сол үлбінің ішіне хлорлы
күмістен жасалған қыл сым торы (2) орналастырылады. Қыл сым торы
(2) ілгекке (3) бекітілген. Сол ілгектің екіншІ бетіне сырты аппаратқа
қосылатын өткізгіш (4) қосылған. Осындай электрод адамның жүрек
159
а
б
тұсына қойылады. Ал адамның аяқ-қолдарына қрШЛЙЪің электрод-
тардың пішіні жалпақ болады. Жоғарыдағыдай хлорлы күмістен жа-
салған қыл сымдар (5) қдтар-қдтар қойылып желімденеді (84, б-сурет)
де, олар клеммаға (6) жалғанады. Клемма электродты аппаратпен қосуға
арналған.
Электроэнцефалограмманы алу үшін шар тәрізді электрод қолда-
нылады (85-сурет).
Бұл электроддиаметрі небәрі 1—2 мм металл шар (1) немесе металл
цилиндр кеуек резинамен (2) қапталған. Кеуек резина алдын ала ар-
найы физиологиялық ерітіндіге малы-
нады. Сол физиологиялық ерітінді
электрод пен терінің арасындағы негіз-
гі өткізгіш орга болады. Электродқа 4
аппаратпен қосуға болатын өткізгіш (3)
қосылады. *
Қалыпты елшемдігі жасушалар-
Жің, жануарлардың нерв талшыктары-
ның, скелет бұлшық еттерінің, миокар-
да жасушасының және т.б. өте кіші
деңгейде пайда болған биопотенциал-
дарын өлшеу үшін микроэлектродтар
қолданылады.
Микроэлектрод ұшы аса жіңішке етіп созылған 0,1—0,5 шыны
микропипеткадан тұрады (86, а-сурет). Осыған сәйкес келетін металл
электрод иілгіш келіп.жасуша мембранасын тесіп өте алмайды, соны-
мен қдтар ол поляризацияланады. Электродтың поляризациялануын
боддырмау үшін поляризацияланбайтын хлорлы күміс (А§С1) тұзымен
160
АвА$С1
00.1 - 0,5 жм
а б
86-сурет
кдпталған күміс (А§) қыл сым қолданылады. Осы қысым микропипет-
каға құйылған КСІ немесе ИаСІ ерітіндісіне батырылады (86, б-сурет).
Ерітіндіге салынған екінші электрод — салыстыру электроды —
жасушаның сыртқы бетіне орналастырылады (86, в-сурет). Сигнал
тұракты ток күшейткішінен тұратын мембраналық потенциалды өлше-
уге арналған аппараткд (Р) беріледі.
§ 29. ДАТЧИКТЕР
Датчиктер сыртқы әсердің салдарынан өздерінің электрлік
параметрлерін (кедергісін, сыйымдылығын, индуктивтілігін) өзгертіп
тізбектегі ток пен кернеудің шамасына әсер етеді. Сондықтан олар
өлшенетін электрлік емес сигналдарды электрлік сигналға түрлендіреді.
Пайда болған электрлік шамаларды күшейтуге, тіркеуге қолдануға
болады. Сондықган датчиктерді түрлендіргіштер деп те атайды.
Датчиктердің типтері, конструкциялық ерекшеліктері түрленді-
рілетін сигналдың түріне, кірістегі электрлік емес сигналдардың фи-
зикалық параметрлерін және шығыстағы электрлік сигналының пішіні
мен амплитудасына төуелді болады.
Датчиктерге берілетін электрлік емес сигналдардың басты түрлері
мыналар:
а) механикалық шамалар — сызықгық және айнымалы қозғалыс,
жылдамдық, үдеу, қысым, тербеліс жиілігі;
161
б) физикалық шамалар — температура, жарықталу, ылғалдылық;
в) химиялық шамалар — заттың ерітіндідегі таралымы, құрамы;
г) физиологияльГқ шамалар — тіннің қанмен камтамасыз етілуі,
тыныс алу көлемі, қанның пульстык көлемі және т.б.
Датчиктер активті (генераторлық) және пассивті (параметрлік)
болып екіге бөлінеді.
Активті датчиктерде кірістегі электрлік емес сигналдардын
әсерінен шығыста электрлік сигналдар пайда болады. Сыртқы әсердІң
салдарынан активті датчиктер өздері электрлік сигналдарын қорытып
шығарады. Сондықтан оларды гснераторлык датчиктер деп те атайды.
Ол сигналдардың жиілігі мен амплитудасы кірістегі электрлік емес
сигналдардың жиілігі мен амплитудасына сәйкес й^ЙЙзі. Ондай дат-
чиктерге пьезоэлектрлік, индукциялықдатчиктер және термоэлемент-
тер жатады.
Пассивті датчиктер кірістегі электрлік емес сигналдардың әсерінен
өздерінің электрлік параметрлерін өзгертеді, Электрлік параметрлеріне
олардың кедергілері, сыйымдылықтары және индуктивтілігі жатады.
Сондықтан ондай датчиктерді параметрлік датчиктер деп те атайды,
Пассивті датчиктер сырткы ток көзі бар электрлік тізбегіне қосылады.
Енді датчиктердің аса көп тараған кейбір түрлерінін жүмыс
принципін қарастырайык.
Резистивті датчик (87, д-сурет) тыныс алу жиілігін және тыныс
алу көлемін анықтауға арналған. Резинатүтік (1) көмір ұнтағымен (2)
толтырылған. Датчиктің екі басы адамның кеудесіне (5) бекітіледі.
з
87-сурет
162
Датчик ток көзіне өткізгішпен (4) және электродпен (3) қосылады.
Тыныс алу кезінде резина түтік созылады да онын көлденен қимасы-
нын ауданы кішірейеді. Сол себепті датчиктің кедергісі мына занды-
лықбойынша артады.
Мұндағы р — көмір ұнтағының меншікті кедергісі; /— резина түтіктІн
ұзындығы; 5 - резина түтіктік көлденен қимасынын ауданы.
Датчиктін кедергісінің артуы тізбектегі электр тогының шамасын
азайтады. Тыныс алу көлемі неғұрлым үлкен болса, соғұрлым кедергі
де үлкен болады, олай болса ток соған сәйкес кемиді және керісінше.
Сонымен тізбектегі токтың амплитудасы, онын өзгеру жиілігі тыныс
алу жиілігін сипаттайды.
Резистивті датчиктің тағы бір түрінде (87, б-сурет) электр тогы-
нын өзгерісін сезгіш элементі ретінде ток өткізетін резина (1) қолда-
нылады. Түтік ток көзіне екі электродтармен (2) және өткізгішпен (3)
косылады. Осындай датчиктің екі басы (4) адамның кеудесіне
бекітіледі. Мұндай датчиктін жұмыс принципі жоғарыда қарастыры-
лған датчиктің жұмыс принципімен сәйкес келеді.
Казіргі клиникалық практикада қан тамырларының ішіндегі және
жүрек қуысындағы қанның қысымын анықтау үшін электрлік тензо-
датчиктер қолданылады, Олардың жұмыс принципі кейбір материал-
дардын, механикалық деформация әсерінен кедергілерінің өзгеруіне
негізделген. Ондай заттарға кремнийорганикалық резина (силикон),
нығыздалған шайыр (смола) және т.б. жатады. Енді осындай датчиктің
жұмыс принципін қарастырайық.
Камерада (К) толып тұрған қозғалыстығы сұйықтың қысымы Р
болсын (88-сурет). Осы сұйық М мембранасын иеді. Мембрананын
ортасы Д қозғалғышпен қосылған. Ол козғалғыш ұштары С нүктеле-
рінде бекітілген шығыршыққа (Ш) ілінген жіңішке қыл сыммен (К.)
жалғасқан. Қыл сым ұзарғанда оның кедергісі өзгереді. Қыл сымның
ұштары өткізгіш (Ө) арқылы өлшеуіш аппаратына беріледі.
Пьезоэлектрлік датчиктер, активті датчиктер қатарына жатады.
Олар жүрек-қанайналым жүйесінің күйін (пульс, систолалык жөне
диастолалық қысым, жүректің тоны және шуы) және тыныс алу
жиілігі мен көлемін анықтауға қолданылады.
Сыртқы күш әсер еткенде (қысқанда немесе созғанда) механикалық
деформацияның нәтижесінде кейбір кристалдардың молекулалары
163
поляризацияланады. Кристалдың қарама-қарсы беттерінде қарама-
қарсы электр зарядтары пайда болады да олардың арасында потенци-
алдар айырымытуындайды. Сыртқы күштіңәсері тоқтағанда электрлік
зарядтары «жоғалады», кристалл бастапкы күйіне келеді. Осы құбы-
лысты пьезоэлектрлік эффект дейді.
Мысалы, кварц кристалы үшін кремнийдің үш атомы және отте-
гінің алты атомы, зарядтармен салыстырғанда симметриялы орналас-
қан құрылымдық топ кұрайды (89, д-сурет).
Егер осы кристалға қысатын күшпен әсер еткенде жоғарыда ай-
тылғандай (89, д-сурет) потенциалдарайырымы пайда болады. Мұндай
пьезоэлектрлік эффектіні тура пьезоэффект дейді.
Пьезоэлектрлік кристалл (1) диаметрі 10—15 мм, биіктіктері 3-5 мм
болатын таблетка тәріздес қорапка (2) бекітіледі. Оларға қысатын
164
(90, я-сурет) күшпен немесе иетін күшпен (90, б-сурет) әсер еткенде
пьезоэффект пайда болады.
Артерия тамырларының серпімді күшінің жиілігіне сәйкес келетін
потенциалдар айырымы жүректің соғу жиілігіне сәйкес келсе, потен-
циалдар айырымының шамасы қан қысымын сипаттайды.
Индукциялық датчиктің жұмыс принципі қозғалмайтын ка-
тушканың ортасындағы тұрақты магнит механикалык қозғалысқа
келгенде тізбекте индукциялық ток пайда болады.
Индукциялықток магнит қоз-
ғалмай катушка қозғалыска кел-
гендеде пайда болады. Қораптың
қозғалмайтын бір қабырғасына
катушканы (Ь) бекітеді. Қарсы
кдбырғаға үлбі (Ү) тартылған. Сол
үлбіге түрақты магнит (М) бекі-
тілген (91-сурет). Тұрақты магнит
козғалғанда индуктивтік катушка-
да индукциялықэлектр қозғаушы
күші пайда болады. Оның жиілігі
пульстың жиілігіне, ал амплиту-
дасы қан тамырындағы қан қысы-
мына сәйкес келеді. 91-сурет
165
§ 30. АДАМ АҒЗАСЫНА ЭЛЕКТРОФИЗИКАЛЫҚ
ФАКТОРЛАРМЕН ӘСЕР ЕТУ ӘДІСТЕРІ
Адам ағзасына тұрақты немесе айнымалы электр тогымен, тұрақты
немесе айнымалы немесе магнит өрістерімен әсер ету әдістері элект-
рофизикалықәдістер қатынасынажатады. Сондықтан жиілігінесәйкес
сол факторлар мынандай топқа бөлінеді:
Төменгі жиілікті 0 — 20 Гц
Дыбыс жиілігіндегі (ДЖ) 20 Гц — 20 кГц
Ультрадыбысты жиілік (УДЖ) 20 кГи — 200 кГц
Жоғары жиілікті (ЖЖ) 200 кГц — 30 МГц
Ультражоғары жиілікті (УЖЖ) 30 МГц — 300
Аса жоғары жиілікті (АЖЖ) 300 МГц —тен жоғары.
Адам ағзасына электрофизикалықфакторлармен әсер ету негізінен
екі топқа бөлінеді: токпен әсер ету және өріспен әсер ету. Ағзаға электр
тогымен әсер ету әдістерінде электродтар адамның денесіне тікелей
жабыстырылады, ал өріспен әсер еткенде электродтар адам денесіне
жабыстырылмайды — электродтар адам денесінен белгілі бір арақа-
шықтықта орналастырылады.
Адам ағзасына электртогымен әсер ету әдістеріне мыналар жатады:
а) тұрақты токпен әсер — гальванизация және электрофорез әдістері;
ә) үздікті (импульсты) электр тогымен әсер — электростимуляция
әдістері;
б) жоғары жиілікті электр тогымен әсер — дарсонвализация және
электрохирургия әдістері,
Адам ағзасына электр немесе магнит өрістерімен әсергету әдістері:
а) тұрақты электр өрісімен әсер — аэроионотерапия әдістері;
ә) жоғары немесе ультражоғары жиілікті электр немесе магнит
өрісімен әсер — индуктотерапия және УЖЖ — терапия әдістері;
б) аса жоғары жиілікті диапозоидағы электромагниттік толқын-
мен әсер -- микротолқындық терапия және дециметрлік толқынды
(ДЦТ) терапия.
§ 30.1. Гальванизация және электрофорез әдістері
Адам ағзасына тығыздығы 0,1 мА/см2, кернеуі 60—70 в тұрақты
токпен әсер етіп емдеу әдісін гальванизация әдісі дейді.
Тұрақты ток деп шамасы мен бағыты уакыт бірлігінде өзгермейтін
электр тогын айтады.
166
Лдам ағзасынан тұрақты электр тогы өткенде аса күрделі физика-
лық және химиялық процестер өтеді. Электр тогының күш сызықта-
рының бағытымен сәйкес келетін тіндердегі иондар қозғалысқа келеді.
Әр түрлі химиялык элементтердің иондарының козғалғыштық қасиеті
әр түрлі болады. Сондықтан жасушалардағы иондардыңтаралымы да,
әр түрлі болады. Иондардың қозғалысының ерекшеліктері жасуша-
лардағы процестердің қозуына немесе тежелуіне әкеліп соқтырады да,
қышқылдьгқ-сілтілік тепе-теңдікті өзгертіп, жасушалардағы судың
мөлшеріне және ұлпалардағы басқа қасиеттерге әсер етеді. Осының
салдарынан адам ағзасы тұрақты токқа реакция жасайды.
Адамның денесінен гок өткенде электродтардың арасында бола-
тын қышқылдық-сілтілік өзгеріс денені күйдіреді. Сондықтан ондай
эффектіні болдырмау үшін электрод пен адам терісінің арасына,
міндетті түрде, физиологиялық ерітіндіге (тіпті жәй суға болса да) ма-
лынған дымқыл дәке орналастырылады.
Галызанизация әдісін, қажет болғанда, тұрақты токтың көмегімен
адам ағзасына шаншымасыз (инъекциясыз) дәрі енгізу үшін қолда-
нуға болады. Осы әдісті электрофорез дейді. Электрофорез әдісінде
электродтар мен адам денесінің арасына салынатын дәкелер дәріге
малынады. Т үрақты токпен әсер еткенде терІс электродтың астындағы
дәкеден теріс иондар және олардың күрделі химиялық қосылыстары,
оң электродтың астындағы дәкеден оң иондар жөне олардың күрделі
химиялық қосылыстары адам ағзасына кіреді.
Адам ағзасыныңток өткізетінбөлігі №С1-дың ертіндісінентұрсын.
Оң электрод пен адам денесінің арасына СаС12, ал сол электрод пен
адам денесінің арасына КЭ ерітінділеріне малынған дымқыл дәке ор-
наластырайық (92-сурет). Суретте иондардың қозғалысы бағдармен
және тіндердің шекарасында иондардың жинақталуы 1—4 позицияда
көрсетілген. Теріс электродта калий иондары бейтараптанады да, со-
дан кейін сумен екінші реакцияға түсуі нәтижесінде Н2 және КОН
түзеді. Осы сәтте олар оң электродқа қарай қозғала бастайды. Оң элек-
тродта С12жөне НСІ түзіледі, ал Са иондары тінге өтеді. Электрофорез
процедурасының өту уақыты иондардың тінге өту жылдамдығына
байланысты. Иондардың қозғалыс жылдамдығы электр өрісінің
кернеулігіне (Е) төуелді. Өріс кернеулігі неғұрлым үлкен болса, ион-
дардың қозғалыс жылдамдығы да соғұрлым үлкен болады. Иондарға
тек қдңа өріс кернеулігі әсер етсе, онда олардың қозғалысы біркдлыпты
үдемелі қозғалыс болар еді. Бірақ иондардың жылдамдығы артқан
167
92-сурет
сайын қоршаған ортаның кедергісі де артады. Бұл кұбылыс иондарға
әсер етуші электр өрісінің күші мен оған қарсы әсер күші — кедергі
күші бір-бірін теңестіргенге дейін өтеді. Сонда иондар қалыптасқан
қозғалысқа келеді, яғни олардың козғалыс жылдамдығы тұрақты
болады.
Жоғарыда иондардың қозғалыс жылдамдығы электр өрісінің
кернеулігіне тәуелді дедік, енді осы байланысты былай жазайық:
о = ІІЕ,
о — иондардың козғалыс жылдамдығы; С — иондардың қозғалғыш-
тығы.
Бұл формуладан кез келген ортадағы жеке ионның қозғалысы, сан
жағынан, оқшауланған өрістің әсерінен пайда болған калыптасқан
жылдамдыққа тең болатыны көрініп тұр. Олай болса иондардың қоз-
ғалғыштық қабілеті сол қозғалысқа қарсы әсер ететін ортаның кедер-
гісіне және қасиетіне тәуелді екен. Ортаның қасиетіне мыналарды
жатқызуға болады: тұтқырлығы, құрылымы, температурасы, иондар-
дың пішіндері, зарядтары және т.б. сондыктан емдік электрофорез әрбір
науқастың денесіне әр түрлі уакытта өтуі мүмкін жөне процедуранын
өту уақыты адам ағзасына енгізілетін дәрінің құрамына да тәуелді
болады.
Гальванизация және электрофорез әдістерін қолдану — қала тіз-
бегіндегі айнымалы токты тұрақты токқа түзету арқылы өтеді. Ол
үшін электрондық фильтр бар қосжартылай периодты түзеткіш қол-
данылады. Олай болса гальванизация және электрофорез аппараты —
ол түзеткіш.
168
93-сурет
Аппарат (93-сурет) трансформатордан (Тр), көпір схемасы бойын-
ша жиналған төрт жартылай өткізгішті диодтан (Д), дросельден (Ь)
және екі конденсатордан (СГС2) тұратын тегістеуіш фильтрден, рези-
стордан (К), миллиамперметрден (тА) және электродтарды қосуға
арналған клеммалардан (К) тұрады.
Аппараттыңтрансформаторлары қалатізбегіндегі кернеуді төмен-
детуге және пациенттің электрлік қа^уіпсіздігін қамтамасыз ету үшін
колданылады. Трансформатордың бірінші орамын (п ^) тізбекке қос-
қанда екінші орамында (п2)айнымалы, шамасы төмендеген кернеу пай-
да болады. Осы кернеу түзеткіштің 1 және 2 нүктелеріне беріледі.
Тізбектегі ток I оң болғанда ол диоды, дроссель Ь, резистор К., Д2
диод арқылы өтіп 2-нүктеге жетеді. Трансформатордың екінші ора-
мындағы ток осы кезде, 2-нүктеде оң болады да ток Д2диодтан, Ь —
дроссельден, К-резистордан және Д4диодтан өтіп 1-нүктеге жетеді.
Осы процесс кернеудің өзгеріс арқьілы электр тогы өтеді. Егер тегіс-
теуші фильтр Ь және Ср Цболмаса, онда Е резистор арқылы бағыты
тұрақты, шамасы өзгермелі пульстық ток өткен болар еді. Мұндай ток
адам ағзасын күшті тітіркендіреді, сондықтан оны гальванизация жөне
электрофорез әдістерінде колдануға болмайды. Осыны болдырмау үшін
тегістеуші фильтр қолданылады. Пульстық ток Ь дроссельден өткен-
де оның катушкасында, токтың өзгерісіне бөгет жасайтын, өздік ин-
дукция ЭҚК-і пайда болады. ЭҚК-ның импульсі өскенде коңденса-
торлар. С^ және С2 зарядталып, төмендегенде разрядталып, токтың
өзгерісін болдырмауға әсер етеді. Осындай фильтрдің өсерінен К. ре-
зистор арқылы тұрақты электр тогы өтеді де, ол ток электродтарды
қосуға арналған К-клеткаларға беріледі.
169
§ 30.2. Электростимуляцня және дефибрилляция
Адам ағзасына айнымалы электр тогымен әсер еткенде өтетін био-
физикалықпроцестер токтын жиілігіне байланысты. Төменгі жиілікті
айнымалы электр тогымен әсер еткенде ол биологиялыктіндер тітіркен-
діреді. Соның нәтижесінде электролиттің иондары ығысады да жасу-
ша мен жасушааралық кеңістікте олардың таралымы өзгереді. Ағза-
ның функционалдык күйін өзгерту үшін тітіркендіргіш ретінде үздікті
(импульсты) электр тогын қолдану әдісін электростимуляция дейді.
Тіндер тітіркенуі үздікті токтың пішініне, ұзактығына және амп-
литудасына тәуелді болады.
Егер тұрақты ток күші белгілі бір мөлшерден ар^зд^а, онда оның
адам ағзасына әсері сезілмейді. Тіндер тітіркенуі ток күшінің өзгеру
жылдамдығына байланысты. Электролит ерітіндісіндегі ток күші
1 ~ — қозғалыстағы иондардың санына және олардың қозғалыс жыл-
(11
дамдығына тәуелді болады. Элёктр тогының қозғалыс жылдамдығы
мынаған тең
(II _ (12^
(11 (ІГ
яғни, токтың өзгеріс жылдамдығы иондардың үдеуімен сипатталады
екен. Олай болса үздікті токтың ағзаны тітіркендіргіш әсері тіндегі
электролит иондарының қозғалыс үдеуіне байланысты деп айтуға
болады.
Электр тогының жеке импульсының тітіркендіргіш «эсері оның
пішініне (тіктік сипатына а), ұзақтығына (іц) және амплитудасына
(А) тәуелді (94-сурет).
94-сурет
170
а
б
Адам ағзасы активті (К.а) және сыйымдылықты (Кс) кедергіден
тұрады. Сондықтан ағзаға берілген электр сигналдарынын (95, я-су~
рет) пішіндері өзгеретінін ескеру қажет (95, б-сурет).
Тік бұрышты импульстардың тітіркендіргіш әсері оның ұзакты-
ғына (іп) байланысты екені жоғарыда айтылады.
96-сурет
Осы байланысты Вейс-Лапик тендеуі (96-сурет) арқылы көруге
болады:
Іі,=~~ + в-
1 и
Мұндағы / — адам ағзасына сезім түйсігін туғызатын токтың ең төменгі
шамасы; — импульстың ұзақтығы; а және в тіннін тітіркену таби-
ғатына тәуелді коэффициенттер, олар тіннін функционалдық күйін
сипаттайды.
171
Өте қысқа электр импульстары (96-сурет) ағзаны тітіркендіре ал-
майды. Сигналдың ұзақтығы арткан сайын ағзаның тітіркену процесі
де артады (96-суреттін‘ оң жағы). Импульстың ұзақтығы белгілі бір
шамаға жеткенде оның тітіркендіргіш мүмкіншілігі артады да, одан
кейін импульстың ұзактығының әсері өте аз болады.
Осыған сәйкес келетін сезім түйсігін туғызатын токтың мөлшерін
реобаза (К) дейді. Реобазаның мәні екі есе артатын С нүктесі импуль-
стың ұзақтығын анықтайды. Ол уақытты хронаксия (сһг) дейді. Қайта-
ланатын жеке импульспен ағзаға әсер етуді жиіліктік тітіркендіру
дейді. Жиіліктік тітіркендіру ағзаныңтұрақсыздығы немесе функцио-
налдық қозғалғыштығы деп аталатын ерекше қасиетің анықтайды.
Бұл ұғым тітіркендіргіш импульстың ағзада қолайліІ^ІІакция туғы-
затын жиілік аралығын көрсетеді. Ағзаның тұрақсыздығын немесе
функционалдык қозғалғыштығын анықтау үшін бұлшык еттердің
жиырылу функциясының ең жоғарғы мәніне сәйкес келетін жиілікті
табу керек.
Импульстык сигналды емдеу мақсатында колдану үшін оның жиі-
лігі амплитудасы және әсер ұзақтығы ағзаның параметрлеріне сәйкес
болуы керек. Мысалы, тіреу — қозғалыс аппаратының бұлшық еттері
зақымданғанда оған әсер ететін сигнал төменгі жиілікті, ұзақ және
біртіндеп өсуі қажет. Үздікті сигналдын әсерінен бұлшық еттердің
жиырылу және босау белсенділіктері артады да, қажетті зат алмасу
процесі жақсарып, нерв бағанасының регенерация кезінде функцио-
налдық күйі сақталады.
Қазіргі кезде электростимуляция клиникада ішкі органдарды (ішек,
қуық, жатыр және т.б.) емдеуде жиі колданылады.
Функциясы бұзылған жүректі емдеуде электростимуляцияның
алатын орны ерекше. Осы мақсатта электроүздікті (электроимпульсті)
терапия және электорстимуляция деп аталатын екі әдіс қолданылады.
Электроүздікті терапиянын бір әдісін дефибрилляция деп, ол үшін
қолданылатын аспапты дефибриллятор дейді.
Жүректің кенет тоқтап қалуы жиі кездеседі. Соның ішінде электр
тогы соққанда тыныс алу процесінің бұзылуы қатар жүреді.
Жүрек фибрилляциясы — жүрек бұлшық еттерінІң барлығы бІр .
сәтте жиырылмай, әр қайсысы әр уақытта жиырылады, содан жүректін
фибрилляциясы туындайды. Сол себепті жүректің қанды айдау мүмкін-
шілігі төмендейді. Қан айналым процесі бұзылғанда ағзада огтегі жетіс-
пейтін болады. Егер осы процесс жалғаса берсе оттегі жетіспеушілігінін
172
әсерінен тыныс алу қиындап ағзада көміркышқыл газы көбейеді.
Осыны гиперкапния дейді.
Фибрилляция күйіндегі жүрек өздігінен қалыпты жұмыска өте
алмайды. Ол ол ма, біраз уакыттан кейін жүректің жұмыс қабілеті тез
нашарлайды, гипоксия (қанда оттегінің жетіспеуі) арта береді.
Жүректі осындай күйден шығару үшін дефибрилляция әдісі қол-
данылады. Бұл әдісте адамның жүрек тұсына ұзақтығы 10-15 микро-
секунд, ток күші 15—20 ампер, кернеуі 4-6 киловольт бір ғана электр
разрядымен әсер ету керек. Осындай тітіркендіргіштің әсерінен адам-
ның барлықбұлшықеттері, соның ішінде жүректін бұлшық еттері де,
бірсәтте жиырылып, бір сәтте босайды. Сонын нәтижесінде жүректің
бұлшық еттерінің функциясы қалпына келуі мүмкін.
§ 30.3. Дарсонвализация және электрохирургия
Дарсонвализация — нерв рецепторларын сергіту үшін қолданыла-
ды. Бұл әдісте адамның денесіне жоғары жиілікті әлсіз электр разря-
дымен әсер етеді. Арнайы пішінді шыны электродтардың (97-сурет)
ішіндегі ауасы сиретіледі немесе олар графитпен толтырылады да бір
полюсті аппаратқа қосылады. Екінші электрод болмайды. Электр
тізбегі адам денесімен қоршаған ортаның арасындағы электрсыйым-
дылықпен тұйықталады. Электрод жоғары жиілікті V = 500 кГц,
кернеуі О = 15-20 кв, ток күші 0,015—0,02 А ток көзіне қосылады.
97-сурет
173
Ток күші аз болғандықтан жылу эффектісін тудырмайды. Осындай
ток көзіне қосылған электродты адам денесіне жақындатқанда олар-
дың арасында әлсіз электр разряды пайда болады. Сол разрядтар нерв
репепторларының кабілетін артгырып, адамды сергітеді.
Электрохирургиянын негізі ретінде диатермияны карастырайық.
Диатермия — диа - терең, термия —жылу деген екі сөзден тұрады, яғни
теренде жаткан тіндерді қыздыру әдісі деп түсіну керек.
Диатермия әдісі орта мектеп физикасынан белгілі Джоуль
эффектісіне негізделген. Жоғары жиілікті (1,5-2 Гц) ток өткенде жы-
лулыкэффекттуады. Белгілі бір көлемді тіннен уақыт бірлігінде бөлініп
шығатын жылу мөлшері Джоуль-Ленп заңы бойынша мынаған тең
0 = рі2,
мүндағы р — тіннің меншікті кедергісіД — токтың тығыздығы.
Диатермия әдісінде қанмен жақсы қамтамасыз етілетін бұлшық
еттерге қарағанда адамның терісі мен тері асты кабаты жаксы қызады.
Бүл әдісте электрод адам денесіне нығыз бекітіледі. Егер электрод
бос бекітілсе онда адам денесІнІң күюі мүмкін. Сондықтан диатер-
мияны терапевтік мақсатта өте сирек қолданады.
Диатермия кирургияда кеңінен қолданылады. Оларды диатермока-
огуляция және диатермотомия (кейде электротомия) дейді.
Диатериокаогуляпияда біреуі кішкене шар тәрізді (активті),
екіншісі жалпақ (пассивтІ) электродтар қолданылады. Шар тәрізді
нүктелік электродты адамның денесіне қатты қысып орналастыра-
ды да, ток көзіне қысады (98, д-сурет).
Сонда нүктелік электродтың ас-
тындағы токтың тығыздығы макси-
мал мәніне жетеді де, ұлпаны 60—
80°С-қа дейін қыздырады. Осы тем-
пературада ақуыздар ұйыйды да, қан-
ның ағуы тоқтайды. Диатермотоми-
яда (электротомияда) активті элект-
род жұқа ұстара пішіндес болады.
98-сурет
Сондықтан осы электродтың ас-
тында ұлпаның қызу температурасы
артады. Жасушадағы және жасуша
арасындағы сұйықтар лезде буланады
да, тіңді кияды. ¥сақ тамырлардағы
қан ұйып, кесілген жері жабылады.
174
§ 30.4. Аэрононотерапия
Газдардың алғашкы иондану кезінде оң, теріс иондар және элект-
родтар болады. Ондай иондарды газдыңқарапайым иондарыдейді. Олар
нейтрал молекулалармен немесе молекулалар тобымен қосылып газ-
дың күрделі иондарын құрауы мүмкін. Газдың карапайым және күр-
делі иондарын жеңіл иондардейді.
Жеңіл лондар газдағы ұсақ заттармен (шаң, түтін, су булары және
т.б.) қосылып ауыр иондар пайда болуы мүмкін.
Атмосферадағы газдардың оң және теріс иондарын, электронда-
рын аэроиондар дейді. Аэроионизаторлардың жұмыс принципі екі
электродтың арасында өтетін жөй
электр разрядына негізделген. Осы
әдісті статдушдепте атайды (99-сурет).
Ол үшін екі электродты жоғары
кернеулі (-40—50 Кв) тұрақты ток
көзіне қосады (99-сурет). Жоғарғы
электродтың (Д) (бас электроды) пішіні
жұлдызша тәріздес болады. Осы элек-
тродадамныңбасынан 10— 15смара қд~
шықтықта орналастырылады. Екінші
электрод изоляцияланған тіреудің
үстіне қойылған жалпақ металл элект-
род. Оны аяқ электроды дейді (М).
Адам осы екі электродтың арасына ор-
наластырылады. Осы әдісте адам ағза-
сына пайдалы екі процесс катар жүре-
ді. Біріншісі — электр өрісінің әсерінен
диэлектриктіктіндерде иондар поляри- 99-сурет
зацияланады (§2.5-ті қараңыз). Екін-
шісі — тіннің ток өткізетін бөлігінде микротоктар пайда болып адам
денесінің сырткы бетінде статикалық зарядтар пайда болады. Соны-
мен қатар жоғарғы электрод материалының ұштарында жәй электр
разряды пайда болады, Осы разрядтың әсерінен ауыр аэроиондар құрау-
шыларына жіктеліп, ауада жеңіл иондардын таралымы артады. Жеңіл
аэроиондар адамның денесіне қарай (басына, мойынына) бағытталған
қозғалысқа келеді. Аэроиондар әсер ету ауданындағы тері астындағы
жүйке ұштарына, тыныс алғанда сілекейлі қабык рецепторларына
175
жағымды әсер етеді. Қазіргі кезде шағын көлемді, алып жүруге қолай-
лы, үстел үстіне қоюға болатын аэроионизаторлар кең тарап келеді.
Ол аппаратты А. Л. Чижевскийдің аэроионизаторы дейді.
Бұл құралда екі электрод бар, онын бірі — ине тәрізді үшкір элек-
трод, екіншісі қоршаған ортадағы заттар - радиатор, үйдің қабырға-
сы, құралдыңқорабы, электртізбегі жәнес.с. Жоғары кернеулі электр
өрісін алу үшін үшкір электродқа таңбасы теріс жоғары кернеу беріледі.
Сонда инеден электроңдар бөлініп шығып оттегі молекуласымен соқ-
тығысады. Соның нәтижесінде теріс ион пайда болады, яғни оттегінің
иондары пайда болады — ол қосымша электроны бар О2 молекулалары
балады. Осы электрон адам қанына араласып ағзаға жақсы әсер етеді.
Осы теріс аэроиондар үшкір электродтан қайтадан элйй^өрісінің күш
сызықгарының бағытымен екінші электродка карай ұшады. Осы элект-
рон оттегінің молекуласымен соқтығысып, адам тағы бір элекгронды
ұрып шығарады. Осы процесс қайталана береді де, үшкір электродтан
оң электродқа карай бағытталған электрондар ағыны пайда болады.
Электрондарын жоғалткан оттегінің иондары теріс электродқа карай
қозғалады (100-сурет). Сол иондар теріс электродпен соқтығысып
қосымша электрондарды ұрып шығаруы мүмкін. Сонымен қарама-
қдрсы бағытта тасқындай қозғалған иондар ағыны пайда болады. Осын-
дай разрядты жәй разряддейді. Бөлме қаранғылау болғанда электрод-
тың ұшында аздаған жарық байқалады және өте ақырын ысқырық
естіледі. Аэроиондардың адам ағзасына әсерініңтері арқылы және өкпе
арқылы екі жолы бар. Адам терісімен соқтығысқанда олар ағзадағы
газ алмасу процесін жақсартады және шеткі нерв жүйелерінің рецеп-
100-сурет
176
торларын коздырады. Бірак, газ алмасу процесінің небәрі 1% ғана
терінін еншісінетиеді. Солай болсада тері кабатынынауруды сезгіштік
қабілетін өзгертеді, тері астындағы капиллярлардын диаметрін кеңітеді.
Бұл мәселе шаштың өсуіне де әсер етеді. Дегенмен аэроиондардың
әсерінің басты жолы — ол өкпе арқылы әсер ету. Ересек адамның аль-
веоласының ауданы —100 м2. Бұл аудан адам денесінін сыртқы бетінің
ауданынан 50 есе үлкен.
Альвеолодан капиллярдын жасуша — эндотелиясымен және аль-
веола қабырғасының жасушасы аркылы қан өтеді. Адам денесінін
сыртқы бетінін ауданынан 1500 есе үлкен, жалпы ауданы 3 000 м2 бо-
латын электрониттер газ алмасу процесінде маңызды роль атқарады.
Капиллярлардың диаметрІ өте кішкентай болғандықтан одан эритро-
циттербір-бірімен, оның кабырғасымен жанаса өтеді. Эритроциттердін
осылай қозғалуы газ алмасу процесіне дұрыс ыкпалын тигізеді.
Сонымен қатар теріс аэроиондардын көпшілігі жоғарғы тыныс алу
жолында, кеңірдекте, қолқада қалғанымен, олардын 40-50 %-ы аль-
веолаға жетіп, газ алмасуға қатынасады. Ауаның өту жолының қабыр-
ғаларын теріс зарядтайды да, одан женіл тебіледі де альвеолаға жетеді.
Аэроиондар ауанын өту жолындағы рецепторларды коздырып, ор-
талық нерв жүйесінің функциясына пайдалы әсер етеді. Атап айтқан-
да тыныс алу жиілігі төмендеп, көлемі өседі, өкпеде газ алмасу лроцесі
жақсарады. Ал оң таңбалы аэроиондар болса олар адам ағзасына зиян-
ды әсер етеді.
Адам ағзасындағы барлык сұйықгар (жасушаның цитоплазмасы,
жасушааралык сұйык, лимфа және кан) электростатикалық тұрғыдан
карағанда коллойдты болып келеді: олардың бөлшектері теріс зарядты
болып келеді. Қанныңбарлыкформалықэлементтерінің акуыздардың
және плазмалардын зарядтары теріс болып келеді. Сол себепті олар
қозғалғанда бір-бірімен соғылыспайды да, кан айналымына қолайлы
жағдай туғызады. Оттегініңтеріс аэроиондары қан элементтерІніңтерІс
зарядтарының санын арттырады да, олардың плазма ақуыздарымен жа-
насу қашықтыктығын арттырады. Сонымен аэроиондармен байыған
қан ағзаның барлык жасушаларына өтіп, олардың теріс зарядтарының
жалпы санын арттырады, метаболизм деңгейіне тиімді әсер етеді.
Қорыта келе, теріс зарядты аэроиондар жүйке жүйесіне, кан қысы-
мына, тіннің тыныс алуына, зат алмасуға, қанның физико-химиялық
касиетіне, қандағы канттың мөлшерін калыпты жағдайда ұстауға және
т.б. тиімді әсер етеді.
177
§ 30.5. УЖЖ-терапня
Лдам өмірінде радйокабылдагыштардың роді артқан сайын радио-
тодқындарды тарату үшін қуатты радиостанциядар колданыла баста-
ды. Сод кезде онда жұмыс атқаратын адамдардың жүйкесі тозып, тез
шаршап, тіпті кейде денесінің кызуы көтерілетіні де байқалған. Осы
мәселелер электромагниттік толқындардын адам организміне физио-
логиялык әсерін зерттеу қажеттігін туғызады.
Тәжірибелер нәтижесінде электромагниттік толқындар адам
организміне ғана әсер етіп коймай жануарлар мен жәндіктерге де әсері
байкалады. Мысалы, электромагниттік толқындар әсерін кейбір ұсақ
жануарлар өле бастаса, жібек құрты тез өскен, тотЫ^^Сұмыртқасы-
нан балапандары уақытынан бұрын жарып шыға бастаса, ит күшікте-
рінің салмақ қосуы арта бастаған.
Радиотолқындар бір ортамен әсерлессе, онда сол ортада жүтылады.
Жұтылған толкынның энергиясы әсерлескен ортаның ішкі энергия-
сына айналады. Сондықтан электромагниттік толқындардың әсерін
ғалымдар алгашында, тек қана жылулык эффекті тұрғысынан қарас-
тырған. Ал шын мәнінде жылулық эффектімен катар радиотолқын-
дардың физиологиялық әсері бар. Осы мәселені алғаш дәлелдеген
ғалым Коваршик мынандай тәжірибе жүргізген; Дистилляцияланған
су құйылған астаудыңтемпературасы 24°С болғанда оған балықтарды
жіберіп электромагниттік толкынмен әсер ете бастаған. Біраз уакыт
өткеннен кейін балықтардың температурасы нсбәрі 0,2 градусқа ғана
көтерілсе де, олардың организмінде физиологиялык өзгерістер болып,
өлуіне әкеліп соқтырғанын байкаған.
Екінші дүниежүзілік соғысқа радиоэлектрлік қондырғыдағы
кызметтегі солдаттар микротолқьін шығаратын радиолокаторлар адам
денесін жылытатынын байқап, суықтан тоңған қолын, аяғын жылы-
тып жүрген. Осы нәтижелер электромагнит толкындардың адам
денесіне тигізетін жылулық әсерді зерттеуді бастауға себепші болған,
Жылулықемдеу әдістері ерте заманнан белгілі. Олардың қатарына
қызған кірпіш, ыстық су және т,б, көптеген әдістерді жатқызуға бо-
лады. Ол әдістер адам денесінің бәлігіне ғана әсер етеді де, сол бөлікте
ғана жылулык процесі жүреді. Бүл тәсілдің кемшілігі мынада: адам
денесіне жылу сыртқы жылу көзінен (қызған тас, кұм, су және т.б.)
беріледІ. Сондықтан тіндердін қызуы біркелкі болмайды: ең алдымен
адам терісі, одан кейін май қабаты мен жоғары кабатта орналасқан
178
бұлшык еттср кызады да, теренде жаткан тіндер мен ағзалар (бұлшық
еттер, буындар) өте аз қызады. Ал шындығына келсек. теренде жат-
қан тіндер жылулық әсерге өте мұқтаж келеді. Олардын температура-
сын 2-3°С-қа арттыру үшін адам денесіне температурасы 70—80°С
сыртқы жылу көзімен әсер етуі қажет. Осындай жылу адам денесін
күйдіреді, сол себепті оны қолдану мүмкіншілігі жоқка шығады.
Теренде жатқан тіндер мен ағзаларды қыздыру үшін қазіргі уақыт-
та медицинада айнымалы электр немесе магнит'өрісімен әсер ету
әдістері кенінен қолданылады.
Медицинада қолданылатын жоғары жиілікті және ультражоғары
жиілікті электр тербелістерін алуға орналасқан приборлардын жұмыс
принципі біртектес.
Енді жоғары жиілікті электр тербелістерін алуға арналған генера-
тордын қарапайым схемасын қарастырайық (101-сурет). Мұндай ге-
нератор тербелмелі контурдан (Ь - катушка және С - конденсатор),
шала өткізгішті триодтан (Т) және ток көзінен тұрады. Триодтын Б
базасына қосылған К-катушка тербелмелі контурдың Т-катушкасы-
мен индуктивті байланыста болады. Сондықтан К-ны байлам катуш-
касы деп атайды. Тербелмелі контурда пайда болған индукциялық
ЭҚК-тің әсерінен триодтың базасында айнымалы потенциал туғызады
да, триодтын жұмысын тербелмелі контурмен байланыстырып тұрады.
Осындай генераторды ток көзіне қосқанда конденсатордың астар-
ларында Ок айнымалы кернеу пайда болады. Ол кернеу контурдағы
токтың (Ік) демеушісі болады. Ік — фазасы бойынша кернеуден я/2
бұрышқа кешігеді де, байлам катушкасында өзара индукция ЭҚК-ін
туғызады. Ол ЭҚК токтан (Ік) тағы да я/2 бұрышқа кешігеді, яғни
кернеумен салыстырғанда қарама-карсы фазада тарайды.
179
Бірақ К-катушкасын тізбекке қосу ерекшелігін ескеріп 0 мен 0к
фаза бойынша сәйкес келетіндей етіп алуға болады.
Триодтың базасында пайда болған кернеу Ц5 коллектор тізбегінде
айнымалы токтуғызады. Осыдан кейін процесс қайта басталып электр
тербелісін алуға мүмкін болады.
Медицинада осындай генератордың көмегімен алынған электр
тербелісін адам денесіне бағыттау үшін терапевтік контур (101-сурет)
қолданылады. Ол генератордын. тербелмелі контурынын Ь-катушка-
сымен индуктивті байланыстағы Ь катушкасынан, сыйымдылығы
айнымалы Сп конденсатор және екі электродтан (ЭП) тұрады. Олай
болса терапевтік контур — тербелмелі контур екен.
Тербелмслі контурдағы индукциялық ЭК,К-нің ^ийфуіне сәйкес
терапевтік контурда еріксіз электр тербелісі пайда болады.
Терапевтік контурда бөлініп шығатын электр тербелісінің қуаты
резонанс құбылысы болғанда кенет артады. Терапевтік контурдын
меншіктітербелісініңжиілігі генератордыңтербелмелі контурында (БС)
пайда болған электр тербелісініңжиілігімен сәйкес келгенде резонанс
пайда болады. Сондықтан терапевтік контурдағы электродтарға
берілетін электртербслісініңқуатыартады, Нсгізгі тербелмелі контур-
дың (БС) жиілігі оның индуктивтілігі (Б) мен сыйымдылығы (С),
тәуелді болады, яғни
1
Терапевтік контурдың сыйымдылығы айнымалы конденсатордың
(С ) және пациентке қойылған электродтың арасындағы-сыйымды-
лықтардың косындысынан тұрады. Сондықтан терапевтік контурды
резонансқа келтіру процесі әр процсдура алдында міндетті түрде
жүргізіледі, себебі электрод пен пациент арасындағы электр сыйым-
дылық әркашан әртүрлі болады. Айнымалы конденсатордын тұткасы
УЖЖ аппаратының панеліне шығарылып «НАСТРОЙК.А» деп
белгіленген.
Терапевтік контурдың тағы бір функциясы — пациенттің электр-
ден қауіпсіздігі толық қамтамасыз етілуінде. Себебі терапевтік контур
тербелмелі контурмен тек индуктивті байланыста болады дедік, олай
болса пациент ток көзінен толық ажыратылған болады.
Ультражоғары жиілікті аппараттыңэлектродтарыныңарасындағы
оріс кернеулігініңтаралуы олардың арақашықтығына, өзара орналасу
180
қалпына байланысты болады. Жоғары жиілікті өріс кернеулігінің та-
ралу зандылығын зерттеу үшін екі электродтың арасына орналасқан
электрлік дипольды пайдалануға болады.
Электрлік дигюль-үзындығы 5 см-ге жуықекі металлтаяқшаға (М)
конденсатор (С) параллель қосылған (102-сурет). Конденсаторға па-
раллель шала өткізгішті диод (Д) және микроамперметр косылған.
Осылардыи барлығы да ток өткізбейтін планкаға бекітілген.
102-сурет
Дипольға жоғары жиілікті электр өрісіне әсер еткенде диполь мен
кондеисатор құрайтын контурда, жиілігі электр өрісінің жиілігімен
сәйкес келетін, еріксіз электр тербелісі пайда болады. Осы тербелістің
амплитудасы контурдағы токтың амплитудасына тура пропорционал
болады. Осылай С конденсаторының астарларына пайда болған ульт-
ражоғары жиілікті электр өрісінің потенциялдар айырымы шала өткіз-
гішті диод арқылы түзетіледі де микроамперметрдің орамы арқылы
өтеді. Микроапмерметр пайда болған токтың шамасын көрсетеді.
Ультражоғары жиілікті электр өрісімен әсер еткенде адам ағзасында
аса күрделі процесс өтеді. Тірі ағза электр тогын өткізетін, омдық
кедергісі бар электролиттерден және диэлектриктіктұрақтысымен (е)
сипатталатын изоляторлардан құралады.
Электр өрісімен әсер еткенде электролиттерде, барлық өткізгіш-
тердегі сияқты, зарядталған бос бөлшектер (электрондар) орын ауыс-
тырады да кәдімгі өткізгіштік тогы пайда болады.
Диэлектрик құрамындағы әрбір молекула ішіндегі оң және теріс
зарядтар электрлік дипольтұзеп бірін-бірі теңгереді, сондықтан моле-
кула тұтасынан алғанда бейтарап болып келеді.
Сырткы өріс жоқ кезде жылулық қозғалыстың нәтижесінде
молекулалардың электрлік моменттері кеңістікте жан-жақты бағытта
181
103-сурет
болады (103, л-сурет). Сырткы өріс бар кезде дипольдар өріс бағы-
тына икемделеді дс, диэлектрик поляризацияланған болып шығады
(103, б-сурет). Өрістің бағыты өзгергенде молекулалардын орналасу
бағыты да өзгереді, яғни өрістің өзгеру жиілігі неғұрлым үлкен болса,
молекулалар да соған сәйкес өзінің бағытын өзгертеді, Өрістін әсері
тоқтаған сәтте молекулалар бастапқы күйіне қайта оралады.
Олай болса өрістің жиілігін неғұрлым арттырсак, соғүрлым моле-
кулалардың тербеліс жиілігі де артады, яғни жылулық процесс пайда
болады,
Диэлектриктің ішінде электр зарядтарының осылай оз бағытын
өзгерту нәтижесінде пайда болған токтың ерекше түрін ығысу тогы
дейді. Адам ағзасы диэлектрикті өтімділігі е біртекті изолятордан және
өтімділігІ е0өткізгіштен түрады. Адам ағзасына электр өрісімен әсер
еткенде болған өткізгіштік тогынын әсерінен де (электролиттерде),
ығысу тоғының әсерінен де (диэлектриктерде) жылу бөлініп шығады.
Электролиттерде иондардың ығысу амплитудасы жылулық қозға-
лыстың амплитудасынан онша үлкен болмайды да, жылу аз бөлінеді,
Негізгі жылу диэлектриктік тұрактысы жоғары тіндерден шығады.
Айнымалы электр өрісімен адам ағзасына әсер етудің басты ерекшелігі
де осында.
Тіндерден уақыт аралығында бөлініп шығатын жылу мөлшерін
былай анықтауға болады:
182
104-сурет
Өткізгіштік тоғы үшін (электролиттерде)
Е1
— (1)
р
ығысу тоғы үшін (диэлектриктерде)
, (2)
мұндағы с. — электролиттің электр өтімділігі; Е — өріс кернеулігі; р —
электролиттердің меншіктІ кедергісі; 5 — молекулалардың диполі мен
өріс кернеулігінің арасындағы бүрышы; ю — циклдік жиілік; е — диэлект-
риктік өтімділік. Адам ағзасында жоғары жиілікті электр өрісімен әсер
еткенде бөлініп шығатын жылу мөлшері мынаған тең болады:
<7 = <71
(1) және (2) теңдікті салыстыра келіп мынандай қорытындыға
келеміз: электр өрісінің жиілігі неғұрлым үлкен болса, диэлектрик-
терде соғұрлым жылу көп бөлініп шығады екен.
УЖЖ электр тербелісі атермиялык терапия мақсатында кең қол-
данылады. Мұнда адам организмінде сезім мүшесімен өте аз сезілетін,
тіпті кейде сезілмейтін, жылу энергиясы пайда болады. Бұл әдіс те-
реңде жатқан тіндерді жылытуға ағзалар қабынғанда және т.б. тера-
пиялық мақсаттарда қолданылады.
Осылай емдеу нәтижесінде капиллярлық тамырлардың диаметрі
өсіп, тіндердің қанмен камтамасыз ету процесі жақсарады. Ағзада зат
алмасу процесінің жақсаруы түрліше биофизикалық және биохимия-
лық процестердің өтуін жаксартады.
183
§ 30.6. Индуктотермия
Индуктотермия әдісінде адам ағзасына жоғары жиілікті магнит
өрісімен әсер етеді. Макснелд теориясы бойынша уақытбірлігіндеөзгер-
мелі магнит өрісі құйынды электр өрісін жоне уақыт бірлігінде
өзгермелі электр өрісі құйынды магнит өрісін тудырады,
Осы қағидаға сүйеніп, яғни айнымалы электр тогынын әсерінен
туындайтын айнымалы магнит өрісімен адам ағзасына әсер ету әдісін
индуктотермия дейді.
Енді индуктотермияның физикалық негізін қарастырайық.
Электромагниттік индукция құбылысы өткізгішпеншектелгенаудан
арқылы өтетін индуқция ағыны өзгеретін жағдайдың^^^йде де байқа-
лады. Егер кез келген бір тұйық контурдан уақытбірлігінде өзгермелі
ток жүрсе, онда сол токтың өзгеру жиілігІне
сәйкес магнит өрісі пайда болады.
Еңдеше осы контурда индукция магнит
ағыны өзгереді. Магниттік индукция ағы-
нынын өзгерісі контурда электр козғаушы
күшін (ЭҚК) өндіреді. Бұл құбылыс өздік
индукция кұбылысы деп аталады.
Өздік индукция кұбылысы өздік индук-
ция коэффициенті деген ұғыммен сипат-
талады. Онын мағынасы мынада: пайда бол-
ған магнит өрісінің шамасы және жиілігі оны
өндіретін айнымалы токтың шамасы мен
жиілігіне тығыз байланысты. Олай болса, ток контурымен^өтетін Ф -
индукция ағыны 1 ток күшіне пропорционал деген салдар шығады:
Ф = Ы,
(0
Ь — пропорционалдық коэффициент, өздік индукция коэффициенті
деп аталады, Өлшем бірлігі Ь=1 генри. Ол өткізгіштін пішінінетөуелді
болады. Егер өткізгіш шексіз түзу болса, онда Ь=0, ал егер өткізгіштің
орам саны артса, онда индуктивтілік коэффициенті де артады. Өздік
индукция ЭҚК-І мынаған тең:
с/Ф
(2)
(1) және (2) тендіктен
184
(3)
, сП
£ = -к---.
' СІІ
Мұндағы (-) таңбасы тізбекте пайда болған өздік ипдукция ЭҚК-і оны
тудыратын күшіне, яғни Ф индукция ағынының немссе 1 ток күшінің
бағытына қарама-қарсы багытталатынын көрсетсді,
Ф-индукция ағыны контурмен шектелген ауданға (8) және магнит
индукииясына (В) тәуелді екенін ескере (2) тендікті былай жазамыз:
Ф = 8 В.
Олай болса (3) —теңдікті мына түрде жазамыз:
7/?
£ - -5 —.
<7/
(4)
Ом заңы бойынша /=—с. Мұндағы кедергі К = р —, мұнлағы
Я 5
р — ағзанын мсншікті кедергісі, / — ұзындығы, 8 — көлденең қимасы-
ның ауданы. Олай болса
(5)
р СІІ
Мұндағы К — ағзаның (тіннің) геометриялык олшеміне тәуелді коэф-
фициент. Магнит индукциясы (В) гармониялықзаңға сәйкес өзгерсін,
яғни
В = ВМ СО8Ю/,
бұдан
------ -Ви (У81П (ОІ .
<7/
Өткізгіштің көлденең қимасын (м2) 1 с уакытта бөлініп шығатын
жылу мөлшері мынаған тең:
(6)
2 = ./ 'Р- Р)
МұндағыУ — ток күшінің тығыздығы, 1 — токтың мәнін (5)-тендіктен,
ондағы магнит индукциясының мәнін (6) тендіктен алып (7)-теңдікті
былай жазамыз:
_ к -) 69 . з
О =—- •69/= А —-8іп (01 .
‘ р '
185
106-сурет
Сонымен индуктотермия әдісімен
осср еткенде ағзадан бөлініп шыіатын
жылу мөлшері жиіліктің квадратына,
айнымалы магнитөрісініңиндукциясы-
ның квадратына тура пропорционал, ал
меншікті кедергіге кері пропорционал
болады екен. Сондықтан кантамырла-
ры жиі орналасқан бұлшық еттерден,
майлар мсн сүйектерге қарағанда, жылу
көп бөлініп шығады.
Индуктотермия әдісінде әсер ететін
ағзаның пішініне саЙҢ^с түрліше
спиральдар колданылады. Мысалы,
адамның аяғына немесе қолына әсер
еткенде цилиндр тәрізді спиральдар
қолданылса, кеудесіне жалпак спираль
койылады. 106-суретте клиникада қол-
данылып жүрген ДКВ-2М типтІ, қуаты
250 Вт индуктотермия аппаратының
кескіпі берілген. Бұл аппарат адам
ағзасына жиілігі 13,56 МГп магнит өрісімен әсер етеді. Аппараттың
қорабына 1-штанга бекітілген, Индуктордын қорабы пластмассадан
жасалынып, ішіне жоғары жиілікті ток өтетін жалпақспираль қойыл-
ған. Индуктор адамның денесіне тікелей жабыстырылады.
§ 31. МЕДИЦИНАЛЫҚ ИНТРОСКОПИЯНЫҢ
НЕГІЗП ӘДІСТЕРІ
Интроскопия деп адам ағзасының ішкі, көзге көрінбейтін мүше-
лерін бақылау әдістерін айтады. Интроскопия деген сөз латын тілінен
іпіго — іш, асоріо — көремін ұғымын береді. Медицинада көзге көрін-
бейтін адам мүшелері аса көп. Мысалы, адам ағзасыныңішкі құрылы-
сы түгелімен, сүйектер,тері асты қабаттары жәнет.б, көзге көрінбейді.
Сол мүшелердің көшірмесін алу, оған сараптама жасау медицинадағы
диагностикалық әдістердің басты бағыты. Бұл бағыттың басты
ерекшелігі мынада: адам ағзасынатүрліше физикалықәдістермен әсер
етіп, сол ағзаға механикалық әсерді (операциялық әдіс, ұрғылау әдісі
және т.б.) колданбай, ағзаға ешқандай зиянсыз әсер ету. Осындай
186
интроскония әдістсріне рентген сәулесі, эндоскония, ультрадыбыс
және дыбыстык зерпеулер әдістері жатады. Енді сол әдістерді карас-
тырайык.
§ 31.1. Рентген сәулесі
Рентген сәулесі деп голқын ұзындығы 80+0,0001 нм аралыгында
жататын электромагниттік толкынды айтады, Ол үзын толкын жагы-
нан ультракүлгін сәулемен, кысқа толқын жағынан ү-сәулссімен
ңіектеседі. Медицинада толқын ұзындығы 0,1+0,06 нм арасындағы
рентген сәулесі қолданылады, Ол көзге корінбейді, оны байқау үшін
флюоресценттік экран немесе фотоүлбі (фотопленка) қолданылады.
Тежеулік рентген сәулесі. Рентген сәулесін алу үшін Рентген түтігі
колданылады. Рентген түтігі — ішінен ауасы жоғары вакуумға дейін
(Ю-7—10һ мм сынап бағ,) сорылып алынған және ішіне екі электрод
А анод пен К катод орналастырылган (107-сурет) колба тәріздес шыны
түтік. Катод металдан жасалған,
оны ток көзіне косканда қызады
да, бетінен электрондар бөлініп
шығады. Осы құбылысты термо-
эяектрондық эмиссия дейді,
Электрондардын нысанасы
ретінде А анод орналастырылған.
Оны кейде антикатод деп те атай-
ды. Анодты атомдыкномері үлкен,
балқу температурасы жоғары,
жылу өткізгіштігі жақсы және
химиялыкбелсенділігі төмен мате-
риалдан жасайды. Олардың қата-
рына V/, Сіі, Рг жәпе т.б. металдар
жатады. Сонымен қатар анодтын.
катодка қараған беті айна бетіндей
тегіс болып, оны катодпен салыстырғанда 45сбұрыш жасай орналас-
тырады. Анод пен катодтыңарасына О жоғары кернеу бергендс күшті
электр өрісі пайда болады.
Осы өрістің әсерінен катодтан бөлініп шыққан электрондар анод-
қа қарай үдей қозғалады да, онымен соқтыгысады. Соқтығысу
нәтижесінде анод қызады. Егер ол температура балқу температурасы-
на жетсе анодтын онда балқып кетуі де мүмкін. Сондыктан анодты
үздіксіз суытып тұратын арнайы суытқыш жүйесі қолданылады.
187
Егер анод пен катодтыңарасындағы кернеу Ы болса онда катодтан
бөлніп шыккан электрондар мынадай эпергиямен анодқа қарай козға-
лады.
Е - еО ,
мұндағы е — электронның заряды.
Анодқа қарай үдей қозгалған электрондар онымен соктығысады,
яғни қозғалыс жылдамдығы тежеледі де, электромагнит толқынның
көзіне айналады. Электромагниттолқынның жиілігі электрондардың
бастапкы кинетикалық энергиясына және тежелу интенсивтілігіне
тәуелді болады. Оларлың бастапқы кинетикалық энергиясы бірдей
болғанымен анодпен. әсерлескенде тежелу мөлшері әрТҮрлі болады,
Сондыктан фотондардың энергиясы, олай болса, жийгЙт?рі де әртүрлі
болады. Осындай сәулені тежеулік рентген сәулесі дейді, Тежеулік
рентген сәулесінің спектрі тұтас болады (108-сурет).
108-сурет
Катодтан бөлініп шыққан электронның энергиясы
Ее=еО.
Фотонға берілген электромагниттік толқын энергиясы
_ +
Е -һс = - ,
' я
мұндағы Һ — Планк тұрақтысы, с — жарык жылдамдығы; X — толқын
ұзындығы.
Е = Е
е’
188
олай болса,
л
Осы теңдеуден мынандай қорытынды жасаймыз: тежеулік рент-
ген сәулесінін энергиясы анод пен катодтың арасындагы О кернеугс
тура пропорционал да, толқын ұзындығына кері пропорциопал бола-
ды (108-сурет). Сонымен рентген сәулесінін толкын үзындығы не-
ғүрлым үлкен болса тасымалдайтын энергиясы солғүрлым аз болады
және керісінше, толқын ұзындығы неғұрлым кіші болса, тасымалдай-
тын энергиясы солғүрлым үлкен болады.
Рентген сәулесінің куаты е электрон зарядының және олардың
үдеуінің квадраттарына тура пропорционал:
Р ~ е2ю2.
Электронның үдеуі тежелу уақытында т есептейік. Сонла сәуле
шығару қуаты да тұрақты болады. Тежелу уақытында Е электроннын.
энергиясы мынаған тен:
Е = Рі ~ е2соТ
/
Мұндағы о0 - электронның бастапқы жылдамдығы.
Сипаттамалык рентген сәулесі. Тежеулік рентген сәулесі анодпен
соқтығысатын электрондардын энергиясына ғана тоуелді болады.
Сонымен қатар анодтын матсриалына да тәуелді рентген сәулесі бола-
ды. Егер анодпен соқтығысқан электрондардың энергиясы атомның
ішкі электрондық кабатынан электронды ұрып шығаруға жеткілікті
болса, онда ондай рентген сәулесі сипаттамалық реитген сәулесі бо-
лады. Сипаттамалық рентген сәулесінің спектрі сызықты болады.
Сол сызықтардың жиілігі анодтың материалына тәуелді болады.
Сипатгамалық рентген сәулесі өте қарапайым. Олар К, Ь, М және
Оәріптеріменбелгіленген (109-сурет) бірнеше сериялардан түрады. Әр
сериянын өзіне тән, жиіліктеріне сәйкес келетін а, £, ү т.с.с сызық-
тары болады.
Үдей қозғалған электрондар атомның ішкі электрондық қабатын-
дағы бір электронды ұрып шығаруы сол атомды қоздырады да си-
паттамалық рентген сәулесінтудырады. Егер К-қабатындағы екі элек-
тронның бірі босап шықса, онда оның орнына кез келген сыртқы
189
К-< еріія
109-сурет
қабаттан (К, Ь, М және т.б.) босаған электрон өтеді. Соның нәти-
жесінде К.-сериясы пайда болады. К — сериясы басқа сериялармен
қатар жүреді. Себебі жоғарғы электрондық кабаттан босаған элект-
ронның ориына басқа деңгейлердсгі (К, Ь, М және т.б.) электрондар
ауысады. Ол электронның орнына басқа электрон келеді, :
Ағылшын ғалымы Мозли 1913 жылы рентғен спектрінің сызық-
тарының оларды шығаратын элементтің атомдық номерімен байланы-
сын теория жүзінде дәлелдегсн. Осы заң бойынша Ки-сызығы мына
формуламен өрнектеледі:
Мұндағы Я-1 Ридберг тұрақтысы; 2 — элементтің атомдық номері.
Кр-СЫЗЫҒЫ үшін
190
Ьа-сызығы үшін
'г=й(2-7-5Ц^-^
және т.с.с, Осы формуланы мына түрде жазуға болады:
н ~ 7?(2 - гт) •[Д- .
1'7Г 'М
Мозли занын әдетте былай көрсетеді:
у/г - с(7-<т).
Мұндағы с жоне о — тұрақты шамалар; К — сериясы ұшін о=1,
Ь-сериясы үшін о—7,5 және с.с.
СоныменМозли занынбылай қорытындылауға болады: жиіліктің
квадраттүбірі анод жасалған химиялықэлсменттін Хатомдық номеріне
тәуелді функция.
Рентген сәулесінін затпен әсерлесуі. Рентген соулссі затпен әсер-
лескенде сол затта жүтылады, яғни интенсивтілігі кемиді, фото-
эффект құбылысы болады, когерентті шашырайды және комптон
эффектісі пайда болады.
Рентген сәулесі бір затпен әсерлескенде онда жұтылады. Жұтыл-
ған энергиянын шамасы жұтылу кабатына, әсерлескен заттың табига-
тына жәнетолқын ұзындығына байланысты. Бір заттан өткенле рент-
ген сәулесінің энергиясынын азаюы екі процеске байланысты:
1) Нақты жұтылады, яғни фотондардың энсргиясының бір бөлігі
әсерлескен ортаның ішкі энергиясына айналады,
2) Рентген сәулесі шашырайды, яғни таралу бағытын өзгертеді.
Рентген сәулесінін жұтылуы. Рснтген сәулесі кез келген ортамен
әсерлескенде жұтылады.Жұтылған энергия ортанын ішкі энергиясы-
на айналады. Рентген сәулесінің жұтылу проиесін түсіндіру үпіін
иіітснсивтілік (5) деген ұғымды енгізейік. Рептген сәулесінің
интенсивтілігі деп сәуленінтаралу бағытына колденеңорналасқан бір
беттін ауданынан 1 секунд ішінде өтетін энергия мөлшерін айтады,
Қалындығы / пластиканың бетіне монохромат параллель сәулелер
ағыны перпендикуляр түссін.Осы пластинаны өзара тең элементар йх
қалыңдықтарға бөлейік. Әрбір бх калыңдықта рентгсн сәулесінің
интенсивтілігі бастапқы шамасымен салыстырғанда сМх мөлшеріне
кемиді, яғни
191
— б.)к = ц 30 сіх ,
(0
Мұндағы ц — жұтылу коэффициенті, ол заттың рентген сәулесін
(қалындыгынатәуелсіз) жұту шамасын сшіаттайды: (-) таңбасы сәуле
сіх қабаттан өткенде интенсивтілігі азаятынын корсетеді. Бұдан мына-
дай қорытынды туындайды: Өзара тен кдбатка келіп түскен рентген
сәулесінің өзара тең интенсивтілігі жұтылады және жұтылу шамасы
түскен сәуленің абсолют шамасына тәуелді смес. Осы заңды алғаш
ашқан ғалым Бугер болғандықтан, оны Бугер заны дейді,
Мұндағы .Қ— теңдеудін. сол жағына шығарып осы тендеуді интег-
ралдайық, Пластинанын қалыңдығы 0-ден / дейін, ал жарықтың
интенсивтілігі 50-ден 5-ғадейін озгерсін (1 Ю-сурет)
|—- = — // р/х бүдан 1п — — -/// немесе / = . (2)
Мұндағы — пластинаға келіп түскен жарықтың интенсивтілігі; 5 —
пластинадан өтксн жарықтыңинтенсивтілігі. (1) және (2) тендеулердің
мағыналары бірдсй. Сондықтан оларды рентген сәулесінің жұтылуын
анықтайтын Бугер заңы дейді. Мұндағы ц-ды жұтылу коэффициенті
дейді, онын екі мәні бар: сызықты жұтылу коэффициенті және мас-
салық жұтылу коэффициенті.
Рентген сәулесініц сызықты жұтылу коэффициенті әсерлесу за-
ңының (7) атомдық номеріне, рентген сәулесінің (X) толкын ұзынды-
ғына тәуелді, яғни
ц = к-?С-74. (3)
к — пропорционалдық коэффициент.
192
Осы формуланың физикалық мәні мынада: рентген сәулесінің
сызықты жұтылу коэффициенті сәуленің 1 см жол өткендегі интен-
сивтілігінің азаюын көрсетсді.
Рентген сәулесінің массалық жұтылу коэффициенті деген ұғым
да қолданылады. Ол мынаған тең
ц
/Л, = — (4)
Р
Мұндағы р — сәуленің әсерлескен затының тығыздығы.
Массалык жұтылу коэффициенті рентген сәулесінің жұтылуының
заттың массасына тәуелді екенін көрсетеді. Мысалы судың, су буы-
ның және мұздың массалык жұту коэффициенті бірдей. Сондықтан
аныктама кестесінде массалық жұту коэффициентін рентген сәулесінің
жұтылуының толкын ұзындығына тәуелді мәнін көрсетеді, Егер сызық-
ты жүту коэффициентін анықтау керек болса, онда цм-ды сол заттын
тығыздығына көбейтеді, яғни
Р = К,' Р-
Фотоэффект- Металл бетіне келіп түскен рентген сәулесі өздерінің
энергиясы жсткілікті болса, олар электрондармен әсерлеседі. Сонда
бөлініп шыққан кванттың кинетикалық энергиясы артып, металдың
бетінен шығып қоршаған ортаға тарайды. Осы кұбылысты фотоэф-
фект дейді.
Фотоэффектінің мынандай үш заңы дәлелденген:
I) Фототоктың интенсивтілігі (5) анодқа келіптүскен электрондар
ағынының интенсивтілігіне 0) тура пропорционал болады, яғни
V ~ <5)
мүндағы к — тұрақты шама, оны сол заттың жарық сезгіштік қасиеті
дейді. Осыны фотоэффектің 1-заңы, немесе Столетов заңы дейді.
2) Кванттық процестердегі энергияның сақталу заңына сүйе-
не отырып Эйнштейн фотоэффектінің екінші занын дәлелдеді.
Ол зан фотоэффект үшін Эйнштейн заңы деп аталып былай
жазылады:
. , пю2
Һу А+ . (6)
193
Мұндағьі Л — Пданк тұрақтысы; V — келіп түскен рентген сәулесінің
жиілігі; А — электронды металдан бөліп шығаруға жұмсалатын жұмыс
мөлшері; іп — электронның массасы; о — электрон козғалысынын
бастапқы жылдамдығы.
Осы занды былай түсінуге қажет:
Келіп түскен рснтген сәулесінін энергиясы (7?м) электронды ме-
талдан шығару жұмысына (А) және оғанбастапқы кинетикалыкэнер-
' ) г „ _
гия ----- беруге шығындалады. Олаи болса электрондар козғалы-
I 2 )
сының бастапқы жылдамдығы тек қана келіп зруНген фотонның
жиілігіне ғана тәуелді. Жиілік арткан сайын электронның жылдам-
дығы артады және керісінше, жиілік кемісе жылдамдық соған сәйкес
кемиді.
3) Жиіліктің мәні бслгілі бір шамаға жеткенде (у < м0) фотоэффект
кұбылысы болмайды, яғни
Олай болса
Й V < А. (7)
Мұнда фотонның энергиясы тек кана электронды шығару жұмысын
атқаруға ғана жеткілікті, сондықтан электрон қозғалысыныңжылдам-
дығы нөлге теңболады
о=0.
Осыған сойкес келетін жарықтың жиілігін (7-формула) фотоэф-
фект құбылысының қызыл шекарасы, немесе фотоэффектінің үшінші
заңы дейді.
Когерентті шашырау. Егер ұзынтолқынды рентген сәулесі затпен
әсерлессе, онда ол сол заттан шашырайды. Бірақтүскен сәуленің тол-
кын ұзындығы шашыраған сәуленің толқын ұзындыгына тен болады:
Оның себебі мынада: рентген сәулесініңэнергиясы (7/ V) заттың иони-
зациялану энергиясынан (А) кіші болса, сол заттын атомдары еріксіз
тербеліске ксліп, қосалқы толқын көзіне айналады. Болініп шыққан
кванттың жиілігі сол затка әсер еткен кванттың жиілігіндей болады.
Рентген сәулесінін осылай шашырауын когерентті шашырау дейді.
194
Рентген сәулесі мен атомның энергиясы өзгермейтін болғандықтан
когерентті шашырау биологиялық әсер етпейді. Дегенмен, рентген
сәулесінен корғану жүйесін жасағанда алғашқы сәуленің бағытын
ескеру керек.
Комптон эффектісі. Бастапқы энергиясы һп кванттар ағыны с —
жылдамдығымен таралатын алғашқы рентген сәулесімен бір бағытта
таралсын. Рентген сәулесінің кванты бос электронмен соқгығысады.
Сол электрон кванттың бастапқы бағытынан сс-бұрышқа бұрыла та-
райды. Осындай электронды «қайтымды электрон» (электрон отдачи)
дейді. Соқтығысу нәтижесінде жаңа квант пайда болады. Ол квант
алғашқы кванттың таралу бағытынан р-бұрышына бұрылады.
ПІ-сурет
Бұл кванттың толқын ұзындығы, алғашқы квантпен салыстыр-
ғанда, үлкен болады, яғни . Рентген сәулесінің осылай ша-
шырауын когернеттікемес шашырау дейді деоныалғашашқан ғалым-
ның құрметіне Комптон эффектісі дейді.
Комптон эффектісі, көпшілік жағдайда, қысқатолкынды сәуленің
жеңіл атомды заттардан өткенде байқалады. Элементтің атомдық
номері артқан сайын электронның өз ядросымен байлам энергиясы
артады да, когернеттік емес шашырау мүмкіншілігі кемиді.
Рентген сәулесін медицннада қолдану. Рентген сәулесі біртекті емес
ортадан өткенде, онда сәуленің жұтылуы да біртекті болмайды. Егер
сәуленіңтаралу жолына флюоренсценттік экран койса, онда экранда
бөгеттің пішініне сәйкес келетін жарықталу мен көлеңке көрінеді.
Заттың құрылысын рентген сәулесімен зерттеудің негізі осы.
Адам ағзасы рентген сәулесін түрліше жұтатын тіндер мен мүше-
лерден тұрады. Сондыктан рентген сәулесі адам ағзасынан өткенде
түрліше жұтылып, экранда ішкі мүшелердің ақ-кара түсті бейнесін
көруге болады (112-сурет).
195
112-сурет
112, 6-суретте рентген сәулесінін адам кеудесінен өткендегі экран-
да көрінетін кескіні берілген, Егер адамның агзасы калыпты болса,
онда өкпенің кескіні бірынғай тегіс болады, ал патологиялық ауытқу
болса (ісік, өкпе ауруы, т.с.с.) онда өкпе кескіні шұбарланады. Сол
кескін аркылыиэкпеніп физиологиялық күйін анықтауғаболады. Адам
агзасының физиологиялық күйін аныктауды диагностика дейді,
Рентгендиагностиканынбасты әдістері мыналар: рентгеноскопия,
рентгенография, флюорография және рентгенотомография.
Рентгеноскопияда зерттсуге қажетті зат аркылы рентген сәулесін
өткізіп, оның кескінін экраннан бақылайды. Рентгенография — бұл
әдісте зерттелінстін заттың кескінін үлбіге (пленкаға) түсіріп алып,
оны үзақ уақыт құжат ретінде пайдаланады. Бұл әдісте зерттелетін зат
рентген түтігі мен үлбінің арасына қойылады. Заттан өткен рентген
сәулесінің интенсивтілігі сол заттың тығыздығына байланысты болады.
Соған сәйкес, заттан өткен сәуле үлбіде фотохимиялык реакция
туғызып, онда кескін пайда болады. Флюорографияда — флюоресценттік
экрандағы кескінді шағын өлшемді фотоүлбіге (фотопленкаға) түсіріп
алу әдісін айтады.
Қазіргі кезде кеңтараған рентгенодиагностиканың бір түрі — рен-
тген томографиясы (іото — қабат, §га/ — жазу деген сөз). 114-суретте
медицинада жиі колданылып жүрген РХ-100 ІООСЬК. рентген то-
мографының сырт бейнесінің кескіні көрсетілген. Бұл томограф
196
113-сурет
114-сурет
компьютермен жабдыкталған. Сондықтан оны компьютерлік томо-
граф дейді. Осы аппараттың көмегімен зерттелетін нұсқаның
кеңістіктің үш өлшемді бағытындағы (ұзындығы, ені және биіктігі)
кескінін алуға болады.
Рентген томографиясынын жұмыс принципін қарастырайық
(114-сурет).
Томографтын құрамындағы рентген түтігі (РТ) мен (ФУ) карама-
карсы бағытта козғалады. Мөселен нұсқада (рентген сәулесі үшін)
бірнеше қара дақтар болсын. Олар суретте кішкене шенберлермен
көрсетілген. Рентген түтігі жылжи келе әр уақыт нұсканың бір
нүктесінен ғана өтеді. Сол нүкте суретте қара нүктемен көрсетілген.
Нүктенің әр қабатыңын кескіні фотоүлбінін 1, 2, 3 т.с.с нүктелеріне
197
келіп түседі. Рентген түтігі мен фотоүлбінің қарама-қарсы фазадағы
қозғалысын реттей отырып нұсқанын кез келген нүктесінің әр қаба-
тының кескінін алуға болады.
Рентген аппараттарының, қолдану максаттарына қарай, көптеген
түрлері бар. Соның ішінде медииинада кентараған аппарат — жылжы-
малы рентген аппараты. Ол аппарат науқасты қозғауға болмайтын
жағдайда науқастын денесі кез келген күйде болғанда рентген
сәулесімен диагноз қою үшін қолданылады. 113, л-суретте сол аппа-
раттын жалпы бейнесі көрсетілген. Мұнда 1 — қоректену блогы және
осы қорапта компыотер орналасқан, оның жоғарғы бетіне (4) экран
орналастырылған, 2 — штанга, 3 — рентген түтігі. Штанганың көмегімен
рентген түтігін кез келген бұрышқа бүруға және б4И?йі бір биіктікке
көтеруге болады.
Арнайы сұйықпен М толтырылған, К-қораптың ішіне рентген түтігі
(РТ) орналастырылған (113, б-сурет). Қораптың ішіндегі сұйык (М)
рентген түтіһнің температурасын бірқалыпты ұстап тұруға арналған,
Мұндағы Т; трансформаторы анод пен катодтың арасына жоғарғы кер-
неу (№ ІООКВ) беру үшін, Т, трансформаторы катодты кыздыру үшін
кернеу беруге орналастырылған.
§ 31.2. Ультрадыбыстық эхолокация
Казіргі кезде медицинада ультрадыбыстық диагностика (эхолока-
ция) кеңінен қолданылады. Осы әдіс арқылы адам ағзасының ішінде
пайда болған түрліше бітімдердің (ісік, жалқаяқ — Ірің, бауыр мен
бүйректегі тастар жәнет.б.) пішінін, өлшемдерін және орнйн дәл анық-
тауға болады. Сонымен қатар ультрадыбыстықэхолокация хирургия-
да, онкологияда, гинекологияда және т.б. кенінен қолданылады.
Ультрадыбыс деп жиілігі 20 кГц-тен жоғары (жоғары шегі шек-
телмеген) механикалықсерпімді толқындарды айтады. Табиғатта уль-
традыбысты дельфиндер, жарқанаттар, үшпа шегірткелер шығарады.
Олардың шығаратын дыбыстары төменгі жиілікті (у=60-ғ80 кГц)
ультрадыбыстар қатарына жатады.
Ғылым мен техникада ультрадыбысты алу үшін пьезоэлектрлік
эффект деген құбылыс пайдаланылады. Бұл эффектінін мәнісі мына-
да: кейбір кристалдарды механикалық деформациялағанда (мысалы
қысқанда, не созғанда) олардың қарама-қарсы жақтарында электр
зарядтары пайда болады.
198
Пьезоэлектрлік эффект кварц, турмалин, сегнет түзы, кант (бір
түрі науат), кара тікен тұз және т.б. біркатар кристалдарда байкалады.
Кварцтағы пьезоэлектрлік эффект кеңірек тексерілген. Қысушы
күш 1 кГ болғанда, кварңтың қарама-құарсы жақтарында потенциал-
дар айырмасы пайда болады. Қысушы күштің әсері тоқтағаннан кейін
кварц кристалы өзінің бастапқы пішініне оралады, яғни созылады.
Осы сәтте кристалдың қарама-қарсы беттеріндегі зарядтар орнын ауыс-
тырады. Мысалы, кристалды қысқан кезде оның жоғарғы бетінде оң
заряд, төменгі бетінде теріс заряд теріс болса, созғанла керісінше —
жоғарғы бетінде теріс заряд, төменгі бетінде оң заряд жинақталады.
Осындай пьезоэлектрлік эффектіні тура пьезоэлектрлікэффект дейді.
Онымен қатар кері жұретін пьезоэлектрлік эффеті де бар. Егер крис-
талға электр өрісімен әсер етсе, онда кристалл деформацияланады да
оның қарама-карсы беттерінде электр зарядтары пайда болады. Осын-
дай кері пьезоэлектрлік эффектіні электрострикция дейді. Кері
пьезоэлектрлік эффект кристаллға магнит өрісі әсер еткенде де пайда
болады. Осы әдісті магнитострикция дейді.
Пьезоэлектрлік эффект алу үшін кварц кристалынантік бұрышты
параллепипед қиып алады (115-сурет).
199
Ультрадыбыс көзі мен кабыллаушы бір-бірінен белгілі бір арака-
шықтықта орналаскан болсын. Егер толқын көзі де және кабылдау-
шы да қозғалмайтын болса, онда қабылдаушыға жеткен толқыннын
жиілігі (\-) толкын көзінен шыккан толкын жиілігіне (у0) тең болады.
Егер толкын көзімен қабылдаушы бір-бірімен салыстырғанда козға-
лыста болса, онда кабылдаушыға келіп жеткен толқыннын жиілігі (у)
толқын көзінен шыккан толкын жиілігінен (у()) өзгеше болады, Осы
құбылысты Допплер эффектісі дейді.
Толқын көзі мен кабылдаушы біртүзудің бойымен козғалсын. Тол-
қын көзі қабылдаушыға жақындай қозғалғандағы жылдамдықты (от к)
шартты түрде, он деп, ал толқын көзі қабылдаушыдан қашықтай коз-
ғалғандағы жылдамдықты теріс деп есептейік. Сол сияқты, қабылда-
ушы толқын көзіне жақындай козғалғандағы жылдамдықты шартты
түрде (ов) он деп, ал кашыктай қозғалғандағы жылдамдығын теріс деп
есептейік.
Егер бақылаушы қозғалмайтын толкын көзінен (о к=0) қашықтай
қозғалса онда Ді уақытта кабылданатын толқын саны азаяды, олай болса
V
яғни бақылаушыға келіп жеткен толқын жиілігІ толқын көзінен шық-
қан толкын жиілігінен кем болады (м<у ).
Егер толқын көзі жылжымайтын бақылаушыға (об=0) жақындай
қозғалса, онда
V
=--------г0
^ + Ц,,.
бұдан қабылдаушыға жеткен толқын жиілігі көзімен шыққан толқын
жиілігінен төмен екені көрінеді (у<у0).
Егертолқын көзі жылжымайтын бақылаушыдан (об=0) қашықтай
козғалса, онда
V
У = ~------і'о
^+ц^.
бұдан қабылдаушыға жеткен толқын жиілігі толқын көзінен шыкқан
толқын жиілігінен үлкен (м>у0) болады. Толқын көзінен шыққан тол-
қын жиілігі мен кдбылданатын толқын жиілігінің арасындағы осын-
дай өзгерісті түсіндіру үшін сонғы мысалды кеңінен қарастырайық.
202
Мысалы, бақылаушы — жылдамдықпен қозғалмайтын (от к=0)
толкын көзіне жақындай козғалсын. Егер бақылаушы қозғалмаса онда
ДІ уақытта п толқын қабылдайды, ал қозғалыста болса, онда дәл сол
уакытта қабылданатын толқын саны К шамасына артады, яғни гі+К
болады. Олай болса қабылданатын толқын жиілігі (у) толқын көзінен
шыкқан толқын жнілігінен (у0) көп болады. Толқын жиілігі мен тол-
қын ұзындығынын (X) арасында тығыз байланыс бар, демек
V = —, олаи болса V =----;
л 2
; ы , и +Ц-
л = — екенін ескерсек н = ——— - г'о,
Мұндағы о — толкыннын сол ортада таралу жылдамдығы.
Осы тендеуден мынандай корытынды: егер бақылаушы толқын
көзіне жақындай қозғалса онда бақылаушыға келіп жеткен толкын-
ның жиілігі (у) толкын көзінен шыққан толқын жиілігінен (ү0) көп
болады. Допплер эффектісінен жалпы
түрде былай жазуға болады;
ы ±/л-
+ = г0----—
^ + Ц^
Медииинада диагностика мақсатын-
да ультрадыбыстық Допплер эффектісі
кеңінен қолданылады. Казіргі кезде
қолданылатын ультрадыбыстық ап-
параттардын көптеген түрлері бар.
Солардын ішінде кең тараған им-
пульстық — толқындық аппараттар
(117-сурет). Бұл аппараттың көмегімен
тіннін үшөлшемді (ұзындығы, ені және
биіктігі) кескінін алуға және олардың
көлемін анықтауға болады. Ағзаның
кескінін жұмсақ-табақка (гибкие дис-
кеты), компакт-табаққа (компакт-
диск) және магнитооптикаға жазып
алуға болады. Сонымен қатар допплер
қисықтарына автоматты түрде талдау
117-сурет
жасайды.
203
118-сурет
Жедел диагностика мақсатында женіл, тасымалдауға колайлы уль-
традыбыстық аппараттар қолданылады. Бұл аппараттар қолдану
мүмкіншілігі жағынан стационарлық аппараттардан кем емес. 118-су-
ретте казіргі кезде кең тараған портативті ультрадыбыстық аппарат-
тың кескіңі берілген.
§ 31.3. Эндоскопиянын негізі
Қазіргі кезде медициналық интроскопиянын бір әдісі ол — эндо-
скопия. Эндоскопия әдісі адам ағзасынын ішіндегі көлемі кіші, ты-
ғыздығы коршаған ортаның тығыздығындай немесе соған жуык,
рентген және ультрадыбыстық диагностика әдістерімен аныктауға
болмайтын патологиялықпроцестерді (ірің, жалкаяң, жара жӘнет.с.с.)
анықтайтын әдіс.
Эндоскопия әдісінін физикалык негізі ол — жарықтың таралу
зандары.
Біртекті ортада жарық түсу сызык бойымен тарайды. Бірак орта
әртекті болса, немесе жарык өте кішкене саңылаудан өтсе түзу сы-
зықтық бойымен таралу зандылығынан ауытқиды, Саңылау неғұрлым
тар болса, жарык соғұрлым үлкен бұрышқа бұрылады. Жарықтың та-
ралуының тағы бір ерекшелігі: жарык толкындары кеңістікте тарала
келіп бірін-бірі күшейтеді, қиылысқан нүктелерінде бірін-бірі әлсі-
ретпейді. Осыны жарықтын таралуынын тәуелсіздік заңы дейді,
Оптикалық тығыздығы әртүрлі екі ортаның шекарасына келіп
түскен жарық біртіндеп шағылады, яғни келіп түскен ортасына кайта
204
119-сурет
оралады, сонымен қатар біртіндеп сынып скінші ортаға өтеді. Осыдан
жарықтың сыну және шағылу зандары туындайды (119-сурет).'
1. Жарык сәулесініңтүсу бүрышы («,) онын. шағылу бұрышына (ү)
тен, а=у.
2. Түскен сәуле (1), шағылған соуле (2), сынған сәуле (3) және
жарык сәулесінін келіп түскен нүктесі арқылы екі ортанын шекара-
сына түсірілген перпендикуляр (4) бір жазықтықтың бетінде жатады.
3. Жарықтыңтүсу бұрышының синусынын (ып а) сыну бұрышы-
ның синусына (зіп р) катынасы сол екі орта үшін тұракты болады,
оны жарыктың салыстырмалы сыиу корсеткіші дейді.
зіп а
-----= (
8ІП /?
Мүндағы п, жәнс п, қарастырылған скі ортаның жарықты абсолют
сындыру көрсеткіші.
Вакуумде таралған жарықоптикалыктығыз ортаға келіп түскенде
с с с
жарық жылдамдығы азаяды, — — , немесе -— = ^? • Ьұдан мынадаи
қорытынды жасауға болады: жарыктыңабсолют сыну көрсеткіші жарык
сәулесінің вакуумда таралу жылдамдығынын оптикалық тығыз ортаға
өткенде қандай шамаға азаятындығын көрсетеді. Сондықтан абсолют
сыну көрсеткішін сол ортанын оптикалықтығыздығы (п) деп атайды.
205
1
120-сурет
Жарық сәулесі оптикалык тығыздығы төмен ортадан оптикалық
тығыздығы үлкен ортаға өтсін (п^ п2), сонда а>0, яғни түсу бұрышы
сыну бұрышынан үлкен болады (120-сурет). Егертүсу бұрышын үлкей-
те келіп, оны а=90°-қа жеткізсек (2-сәуле) жарықекінші ортаға шекті
сыну бұрышымен (р ) өтеді, яғни
зіп а _ и,
5ІП /? п{
Егер а=90°болса,
8Іп 90° = 1; —!— =
5ІП щ
немесе
И,
Сонымен, жарықтыңтүсу бұрышы 90°-қатеңболғанда оған сәйкес
келетін максималды сыну бұрышын Рш жарықтың шекті сыну бұры-
шы дейді.
Егер жарық оптикалық тығыз ортадан оптикалык тығыздығы кем
ортаға өтсе (п,> п2), онда тұсу бұрышы сыну бұрышынан кем болады,
яғни а<р (121-сурет, 1-сәуле).
206
121-сурет
Жарықтын түсу бұрышынан біртіндеп үлкейте берсек, ол белгілі
бір мәніне жеткенде жарықекінші ортаға өтпей (2-сәуле) екі ортаның
шекарасымен сырғанай кетеді.
Осыған сәйкес келетін түсу бұрышын жарыктың шекті тұсу бұры-
шы /аш/ дейді: яғни , себебі зіп 0 = зіп90° = 1. Жарық
түсу бұрышын одан әрі үлкейте берсе жарык екінші ортаға өтпей, екі
ортанын шекарасынан толық шағылып бірінші ортаға қайта оралады
(3-сәуле). Осы кұбылысты жарыктың толык ішкі шағылу құбылысы
дейді.
Жарыктын толык ішкі шағылу кұбылысы жарықты тасымалдау
үшіп де колданылады. Ол үшін ішкі беті айна бетпен капталған резина
түтік алайык. Резина түтіктің бірінші ұшына жарык козін орналасты-
рады. Сонда түтіктіңішінде жарыкбірнеше реттолықшағылып, екінші
ұшына жстеді, Сонын нәтижесінде түтіктін екінші ұшындағы бетті
анық көругс болады. Осы құбылысты физикада талшыктык (волокон-
ная) оптика дейді (122-сурет). Талшыктық оптика медипинада көзбен
тікелей көруге болмайтын ішкі органдардын (өт жолы, мұрын қуысы
жәнет.б.)ішкі бетін көруге қолданылады. Осы әдісті эндоскопия дейді.
Түтіктін жарыкталған ұшына түрліше хирургиялық қүралдар орналас-
тырып операниялар жасауға болады. Осы мақсатта қолданылатын
әдісті хирургиялык, эндоскопия дейді.
207
1
2
208
Мысал ретінде 123-сурегге иілмелі шыныталшықты жарык тасы-
малдаушы түтіктін. кескіні берілген, 124-суретте бронхофиброскоптын
және 125-суретте сигмоидофиброскоптың кескіндері берілген.
Бұл суреттерде 1 - шыныталшыкты жарыктасымалдаушы түтік, 2 -
окуляр, 3 - фиброскопты және көру арнасын сұйықпен жууға арнал-
ған түтік. Осы түтіктің көмегімен ішкі арнаны толықтазартуға, сөйтіп
көрінетін бетті айқындауға болады.
§ 31.4. Клиникада дыбыстық зерттеулер әдістері
Серпімді ортада орналасқан тербелмелі қозғалыстағы дене, сол ор-
таның бөлшектерін тербеліске келтіріп толқын туғызады, Сол орта-
ның физикалык қасиетіне сәйкес, толқын белгілі бір жылдамдықпен
таралады. Серпімді ортада тербелістің таралуын толқындық процесс
немесе толқын дейді.
126-сурет
Синусоидалықтолқынды процесс қоршаған ортада ОХ осінің бо-
йымен (126-сурет) таралсын, яғни сол ортаныңбөлшектерітепе-тендік
күйінен ауытқуы і уақыт бірлігінде гармониялық заңға бағынатын
болсын және бастапқы фазасы <р0 = 0 болсын. Олай болса бастапкы О
нүктесі үшін тербелістің теңдеуі мынаған тең.
5 - 50 8Іп (і)!.
(1)
Мұндағы 3— қоршаған ортаныңбөлшектерінің әрбір уақыт кезеңіндегі
тепе-теңдік күйінен ауытқуы; 50 - қоршаған ортаның бөлшектерінің
тепе-тендік күйінен максималды ауытқуы, яғни амплитудасы; ю -
циклдық жиілік және алі - тербеліс фазасы.
Осы тербелістің О нүктеден X арақашықтығында жатқан А нүкте-
сіндегі фазасын анықтайық. Тербелістер О нүктесінен шығып таралып,
209
А нүктесіне мынандай уакыт өткенде т = — жетеді. Сондыктан (
V
кешігу уақыты деп аталады.
Мұндағы о-толқынның сол ортада таралу жылдамдығы.
Осы өзгерісті былай жазамыз . Олай болса
\ V )
(1) тендеуді былай жазуға болады:
5 = 505Іпл» Г- — . (2)
X
Осы тендеуді механикалык толкынның тендеуі дейді.
Механикалык толқындар жиілігіне карай инфрадыбыс, дыбыс
және ультрадыбыс болып бөлінеді.
Инфрадыбыс деп жиілігі 0-20 Герц арасында таралып және адамның
есту мүшесімен қабылданбайтын механикалық толкындарды атайды.
Ультрадыбыс деп жиілігі 20000 Герц арасында таралып және адам-
ның есту мүшесімен қабылданбайтын механикалық толкындарды атайды.
Ультрадыбыс деп жиілігі 20000 Герцтен жоғары және адам құла-
ғына естілмейтін толқындарды айтады,
Дыбыс деп жиілігІ 20—20000 Герц арасында серпімді ортада тарал-
ған және есту сезімін туғызатын механикалық толқынды айтады,
Дыбыстар тон және шу болып екіге бөлінеді.
Тон деп уакыт арасында жиілігі және амплитудасы тұрақты неме-
се белгілі бір заңдылыкпен өзгеретін дыбыстарды айтады. Тондар кара-
пайым және күрделі болып бөлінсді. Қарапайым немесе гармониялык
тонға камертонның немесе дыбыс генераторының көмегімен алынған
дыбыстар, музыкалық аспаптардың дыбыстары жатады.
Шу деп бір уақытта әртүрлі жиілікпен және амплитудамен тарала-
тын дыбыс толқындарын айтады,
Дыбыстың физикалық (объективті) және физиологиялық (субъ-
ективті) сипаттары бар:
— физикалық сипаттарын объективті сипаттар деп те атайды. Оған
жиілігі, гармониялық спектрі және интенсивтілігІ жатады;
— физиологиялықсипаттарын субъективті сипаттар деп, кейде есту
сезімі деп те атайды. Оған дыбыстын жоғарылығы, тембрі және кат-
тылығы жатады.
210
Дыбыстың физикалық және физиологиялық сипаттарының ара-
сындағы байланысты қарастырайық. Дыбыстың биіктігі онын жиілігі-
не байланысты: тербеліс жиілігі неғұрлым көп болса, дыбыс соғұрлым
биік болады.
Дыбыс тембрі тербелістің гармониялық спектріне байланысты
болады, Кез келген күрделі тербеліс бірнеше кдрапайым тербелістердін
жиынтығынан тұрады. Осындай тербелістерді құраушыларына жіктеуді
гармониялық анализ деп, ал спектрін гармониялык спектр дейді.
Сонымен катар жиіліктері бірдей бірнеше тербелістердің амплитуда-
ларының пішіндері әртүрлі болуы мүмкін. Сондықтан олардың гармо-
ниялық спектрі де әр түрлі болады, яғни күрделі тондар қатарына жа-
тады. Тербелістердің осындай ерекшеліктері дыбыс тембрі ретінде
қабылданады.
Дыбыстың интенсивтілігі немесе толқын ағынының тығыздығы
деп толқынның таралу бағытына көлденең орналасқан беттең уакыт
бірлігінде өтетін энергия ағынын айтады.
А5
Мұндағы АР — энергия ағыны, ол мынаған тең:
Р=^.
Аг
Д5— дыбыс толқыны өтетін көлденең беттің ауданы.
Басқаша айтканда,толқыннынтаралу бағытына көлденең орналас-
қан беттен уақыт бірлігіне де (А() өтетін дыбыс энергиясын (Е) дыбыс
интенсивтігі (А5) немесе дыбыс күші дейді, яғни:
ДАДг
өлшем бірлігі
эрг Вт
м - с м
Осы формулаға азғана түрлендіру жасап мынаны алуға болады:
./ = £іэ.
Мұндағы с - энергияның келемдік тығыздығы. Осыдан толқын-
ның интенсивтілігі энергияның тығыздығымен толқынның таралу
211
жылдамдығының көбейтіндісіне тен, Олай болса, жылдамдық вектор-
лық шама болғандықтан, толқын интенсивтілігі де векторлык шама
болады. Толқын интеНсивтілігінің бағыты оныңтаралу жылдамдығы-
ның бағытымен бағыттас болады. Осы векторды ашқан ғалымның
құрметіне оны Умов векторы дейді.
Дыбыстын каттылығы дыбыстын интенсивтілігіне (дыбыс күшіне)
тәуелді, Аса күшті тербелістер дыбыс ретінде кабылданбайды: олар
құлақты ауыртады. Дыбыс күшініңқұлакты ауыртатын шамасы ауырту
түйсігінің шегі деп аталады (127-сурет).
Әртүрлі жиіліктер үшін ауырту түйсігінің шегі түрліше болады.
Дыбыс толқынынын дыбыс түйсігін туғыза алатын ең төменгі күшін
естілу шегі деп атайды.
Осы шамадан төмеигі дыбыс күшін кұлак естімейді. Естілу шегі
әртүрлі жиіліктер үшін әртүрлі болады және ол адамның физиология-
лык ерекшелігіне сәйкес болады, Адам құлағының дыбысты кабыл-
дау кабілетін анықтайтын әдісті аудиометрия дейді. Дыбыстыңауырту
мен естілу шегінің арасын естілу аймағы дейді (127-сурет). Дыбыс-
тың қаттылығын дәл өлшеуге болмайды. Оның себебі түйсік туды-
рушы дыбыстың қаттылығы есту органыныңадаптациялыққасиетіне
тәуелді. Алайда Вебер-Фехнердің психофизиологиялык заңына
сүйеніп түйсіктің қаншалыкты күшті болатындығын анықтауға бо-
лады. Ол үшін тітіркендіруші дыбыс интенсивтілігінің өсімшесі (АЛ),
есту органы кабылдаған дыбыстын ең төменгі дыбыс қаттылығының
212
өзгерісі (ДБ), тітіркендіруші дыбыстың бастапкы интенсивтілігі (})
болсын, сонда
Д/
= .
Мұндағы к — пропорпионалдық коэффициент
Осы тендеуді интегралдайық
М"
0
Ь = (3)
Л
Мұндағы - дыбыстын қабылданатын еңтөменгі интенсивтілігі-есту
шегі; £ -- дыбыстың қаттылығы. (3) теңдікті дыбыстың қаттылығы
дыбыстың бастапқы интенсивтілігінің оның естілу шегіне қатынасы-
ның логарифміне тура пропорционал болады,
I'гер/< і бо.іса. оида £ - 1 Бел (Б) болады. Бұл дыбыс
Л
қаттылығының өлшем бірлігі. Бұдан дыбыстың каттылығын 1 белге
арттыру үшін оның интенсивтілігін (күшін) 10 есе арттыру қажет екені
көрінеді. Сондықтан бел (Б) деп аталатын бірлікпен қатар одан 10 есе
кіші децибел (дБ) деп аталатын бірлік те колданылады, яғни 1 дБ = 0,1 Б.
Дыбыстық зерттеулер әдістері клиникада кеңінен қолданылады.
Оған мына әдістер жатады: перкуссия, аускультация жане фонокар-
диография. Енді осы әдістерді жеке-жеке қарастырайык.
ПЕРКУССИЯ ЖӘНЕ АУСКУЛЬТАЦИЯ
Перкуссия деп (латын сөзірегсиззіо - ургылау) ішкі мүшенің тұсы-
на келіп ұрғылап, одан шыққан дыбысқа талдау жасап, диагностика
мақсатында қолданылатын әдісті айтады.
Перкуссия әдісін 1761 жылы Л. Ауэнбруггер деген дәрігер ұсын-
ған. Бұл әдістің негізгі мынада: ішкі мүшенің тұсынан ұрғылағанда
ішкі мүшелер тербеліске келеді. Ол тербелістер ауа арқылы дыбыс
ретінде тарайды. Осылай тараған дыбысты перкуторлық дыбыс дейді.
213
Перкуторлык дыбыстың қасиеттері (жоғарылығы, тембрі және қат-
тылығы) тербеліске келген мүшенің тығыздығына, созылғыштығына
және тонусына тәуелді болады.
Мысалы, ауасы жоқ тығыз мүшелердің (иық, ортан жілік т.с.с.
сүйектер) үстінен ұргылағанда шығатын дыбыс өте әлсіз қатаң дыбыс
шығарады.
Перкуссия әдісінде, көпшілік жағдайда дәрігер өзінің саусақта-
рының фаланг сүйектерін екінші қолының сұқ саусагының жұмсақ
ұшымен (128, й-сурет) ұрғылайды. Сонымен қатар ұрғылау үшін қол-
дың орнына серпімді жолақ пен резина балға да (плессиметр) қолда-
нылады (128, б-сурет). Перкуторлық дыбыстар мыңаудай топтарға
бөлінеді: дыбыстың күші бойынша — катты (немесе^анЫқ) және әлсіз
(уяң); жоғарылығы бойынша — жоғары және төмен; тембрі бойын-
ша — тимпаникалық және тимпаникалық емес және металлдан шық-
қан дыбысқа ұқсас.
128-сурет
Аускультация (латын сөзі аизсиііаііоп — тыңдау) — адам ағзасынын
ішкі мүшелерінінфизиологиялықерекшеліктеріне сәйкес шығаратын
дыбыстарды тыңдау әдісі. Оны 1816 жылы француз дәрігері Рене Лаэн-
нек ұсынған. Адам ағзасының түрліше мүшелерінде пайда болатын
дыбыстарды жазу (фонография)әдісі аускультацияны жетілдіретүсті.
Мысалы, тыныс алу, жүрек бұлшық еттерінің жиырылуы, асқазан-
нын және ішектің жиырылуы ұлпаны тербелтеді. Сол тербелістердін
214
біразы ғана адамнынтерісіне дейін
жетеді, Тербелістін жеткен адам
терісініңәр нүктесі жан-жакты ба-
ғытта таралғандыбыстолқынының
көзіне айналады. Осы дыбысты
қабылдау үшін қолданылатын құ-
ралды фонендоскоп дейді, Фонен-
доскоптың А және В сфералык
бетпен шектелген екі қуыс бөлігі
бар (129-сурет). А -бөлігі жүректі,
В — бөлігі өкпені тындауға арнал-
ған, В-қуысы бөлІктің бетіне М
жарғағы (пленка)тартылған. Жар-
ғакты адам денесінің зерттеліне-
тін ішкі мүшесінің үстіне қояды.
Мүшеніңфизиологиялықерекшелі-
гіне сәйкес шығаратындыбысы адам
терісініңтербелісі жарғакгы тербел-
теді де, оны қозғалыска келтіреді.
Тербелістер сфералык бетпен шектелген куыстын Ішінде бІрнеше
рет жаңғырып резонанс тудырады да дыбысты күшейтеді. Осылай
күшейген дыбыс Т резина түтігі аркылы дәрігердің құлағына жетеді.
Аускультациялық әдіс адам ағзасының ішкі мүшелерінің физиология-
лык ерекшеліктерін тындау үшін ғана емес сол дыбыстарды жазып
алу үшін де кеңінен колданылады. Медицинада онлай дыбыстарды
жазыц алып, кұжат жасап, диагностика мақсатында қолдануды фо-
нография дейді. Фонографияныңаса кеңтараған әдісінің бірі — фоно-
кардиография.
ФОНОК АРДИОГР АФИ Я
Фонокардиография - жүрек дыбысын жазып алу әдісі. Ол үшін
қолданылатын құралды фонокардиограф дейді. Ол дыбыс қабылдағыш
1 — микрофоннан, 2 — күшейткіштен, 3 - қайтымды байланыстағы
реттеуші электрондық сүзгі жүйесінен және 4-тіркеушіден (ІЗО-сурет)
тұрады. Микрофон дыбыстербелістерін қабылдап, оларды электр сиг-
налдарына айналдырады. Электр сигналдары күшейткіште
күшейтіліп, кайтымды байланыстағы жиілікті реттейтін электрондық
215
130-сурет
сүзгі жүйесіне беріледі. Жиілікті реттейтін сүзгі жүйесіңде төменгі
электр тербелістері жеке-жеке топқа бөлінеді. Одан кейін тіркеуші
күрал электр тербелістері кайтадан механикалықтербеліске түрленіп,
оларды тіркейді. Тіркеуді кағазға жазуға немесе осцилограф экра-
нына беруге болады. Қалыпты фонокардиографияда жүректін I және
П-тондарын тіркелейді. Ол тондардың арасында сисЯ0ЙЙ5тық және ди-
астолалық процестердін арасынлағы үзіліске сәйкес келетін сызык
болады (131-сурет). Диағностикалык үзілісте кейде жүректін Ш және
IV тондары да байқалады. Фонокардиографиянын мүмкіншілігіне көз
жеткізу үшін оны электрокардиографиямен қатар түсірген қисықтар-
мен салыстырайык. 1-тонға бірнещетербелістер сәйкес келеді. Тербеліс
ІЗІ-сурет. а — жүректін үшында; б— жүректің негізіндс тіркелген.
Ри.м цифрымен жүректіңтондары белгіленген
216
жиілігі 70 -150 Ги болады. ФКГ-нің 1-тоны ЭКГ-нін 0 тісінен кейін
ііайла болады (131, а-сурет). 1-тонныңбастапкы тербелісініңамплцту-
дасыньің кіші болуы жүрекшенін. систоласына байланысты І-тонның
негізгі орталық бөліктерінде амплитудасы үлкен екі үш тербелістер
бар. Ол тербелістер ЭКГ-нің 8-тісі кезінде болады да жүрекше —
қарыншалар қақпақшаларының жабылуына сәйкес келеді, 1-тонның
негізгі бөлігінен кейін амплитудасы төмен тербелістер тіркеледі. Олар
миокарда вибрациясының салдарынан пайда болады.
ЭКГ-нің Т-тісімен бір сәтте П-тонныңтербелістерініңтобы пайда
болады. Оныңтербеліс жиілігі 70-150 Гц аралығында болады, Алғаш-
кы амплитудасы үлкен тербелістер, аорта қақпақшаларының жабы-
луына сәйкес келсе, одан кейінгі амплитудасы төмен тербелістер өкпе
бағанасы қақпақшаларынын жабылуын көрсетеді, П-тоннын ампли-
тудасы жүректің негізінде жоғары болады, Ол І-тониың амплитуда-
сынан биік болады.
1 және П тоннан белек, ФКГ-де Ш-тон да тіркелуі мүмкін. Ол тон
ампитудасы кіші, төменгі жиілікті тербелістер қатарына жатады,
П-тоннан 0,12—0,18 с уақыт өткеннен кейін ол тон ЭКГ-нІң Ртісіне
сәйкес келеді.
1У~тон төменгі жиілікті, амплитудасы төмен бір-екі тербелістен
түрады. Ол ЭКГ-нІң Р тісінен кейін болады,
ФКГ — жүрек-қантамырлар жүйесініңфизиологиялықкүйін анык-
тауда (диагностикада) кеңінен қолданылады. Бұл әдіс, әсіресе, тахи-
кардияны, аритмияны және брадикардияны анықтауда аускультаиия
әдісін өте сәтті толықтырады,
§31.5. Артериядағы қаи кысы.мын өлшеу
Артерия жүйесінде қан қысымы ырғақты (ритмді) өзгеріп отыра-
ды. Ол систола кезінде жоғарғы мәніне жетіп, диастола кезінде
төмендейді. Қан қысымының өзгеруін былай түсіндіруге болады,
Систола кезінде аортаға келіп құйылатын қанға артерия қабырға-
ларының және артерия жүйесін толтырып тұрған канның кедергісі
әсер етеді, Артерияға қан құйылғанда онын қабырғалары созылып,
ондағы қан қысымы артады. Диастола кезінде артериядағы қысым
төмендейді. Артерия қабырғаларының созылғыштық (эластикалық)
қасиетіне сәйкес тамырлар бойымен қан козғалады. Олай болса арте-
риядағы қан қысымының мөлшері жүректің бұлшықеттерінің бір рет
217
жиырылғанда аортаға құйылғаи қанның көлеміне және периферия-
лық қаи тамырларыныц кедсргісіне тәуелді болады екен.
Артериялық қысымның өлшем бірлігі —миллиметр сынап бағана-
сы. Қалыпты жағдайда систолалық (жоғарғы) қысым 100-140 мм
сынап бағ., диастолалық (төменгі) қысым 60-90 мм сынап. бағ,,
мөлшерінде болады, Систолалык және диастолалык қысымның арасы,
қалыпты жағдайда 40-50 мм. сынап. бағ., болуы керек. Осы айырма-
ны пульстық қысым дейді.
Қазіргі медицинада артериялық кан қысымын өлшеу үшін 1905 жы-
лы Н. С. Коротков ұсынған аускультациялық әдіс кеңінен қолданы-
лады. Ол үшін сфигмотонометр деген құрал қолданыл^ды.
Сфигмотонометр резина манжетпен (М) жалғаиШн серіппелі мо-
нометрден (Р) және ауаны үрлеуге арналған резина баллоннан (Н) тұра-
ды (132-сурет).
Р
Қан кысымын әдетте шынтақартериясында өлшейді. Ол үшін жа-
лаңашталған кол қарына манжет кигізіледі. Шынтақбуыннан шынтак
артериясын тауып, оның үстіне фонендоскопты қояды да сфигмото-
нометрдің кранын (К) жауып, манжетаның ішіне резина баллон (Н)
арқылы ауаны үрлейді, Манжетаның ІшІндегІ қысымды монометрмен
(Р) өлшейді. Шынтақ артериясында пульс байқалмайтын болғанда
ауаны үрлеуді токтатады. Одан кейін К вентильді ашып манжетадан
ауаны шығара бастайды. Осы сәтте фонендоскоппен шынтакартерия-
сын тындап, монометр көмегімен қысымның өзгеруін мұқият бақы-
лайды. Манжетадағы қысым систолалық қысымнан сәл азайғанда шын-
тақ артериясында жүрек бұлшык етінің жиырылуына сәйкес келетін
тон естіле бастайды. Осы қысым систолалық қысымға сәйкес келеді.
218
Р
133-сурет
Ол қысым суретте Р деп белгіденген, Артериялык қысымды анык-
тауда бөлініп шығатын дыбысты Н. С. Коротков 4 фазага бөлген,
1-фаза - артерияда тонның пайда болуы (133-суреттің а бөлігі). Ол
туралы жоғарыда айтылған.
11-фаза. Манжетгегі ауанын кысымы азайған сайын артерияға қан
коп келіп құйылады. Артериялардың қабырғаларының тербеліс амп-
литудалары артады, тон қатты естіле бастайды (133-суреттің б-бөлігі),
Оған қантамырларыиың қысылған жерінен шыққан канның
құйынды (турбулентті) козғалысынын шуы косылады.
ПІ-фаза. Манжеттегі ауаның қысымы азайған сайын шу жоғалып,
тон естілетін болады (133-суреттің в-бөлігі),
ГУ-фаза. Манжеттегі қысым диастолалық қысыммен теңеседі. Қан
тамырлар бойымен канның козғалысына бөгет болмайды, кан тамыр-
лардың қабырғаларының тербелісі бірден азаяды, Кан тамырларынын
бойымен қозғалған кан турбуленттік ағыстан ламинарлык ағысқа өтеді.
Осыдан кейін тон естілмейді. Соған сәйкес келетін қан қысымын
(133-сурет) Рд - диастолалық (төменгі) қысым дейді.
219
Пайдаланылган әдебнеттер
1, Антонов В. Ф. и др. Биофизика. Москва, 2000 г.
2. Владимиров Ю.А. и др. Биофизика. Москва, 2006 г.
3. Гребенев. А.А. Пропедевтика внутреннихбодезней.Москва, 2001 г.
4. Губанов Н.И., Утепбергенов А.А. Медицинская билфизика. Москва,
1978 г.
УЛивенцевН.М. Курс физики. Москва, 1978г. 1и2т.^^4.
6. РемизовА.Н. и др. Медицинская и биологическая физика. Москва,
2007 г.
7, Самойлов В.О. Биофизика. Санкт-Петербург, 2007 г.
8. СатпаеваХ.К., Өтепбергенов Ә.А., НілдібаеваЖ.Б. Адам физиологиясы,
Алматы, 2005 ж.
9. Яр-Мухамедова Г.Ш., Кошенов Б. Медининалык физикадан зертхана-
лыкжұмыстар. Алматы, 2007 ж.
220
МАЗМҮНЫ
А.чғысөз..................................... .,......... 3
КІРІСПЕ.........................................................
1-тарау. ЖАСУША МЕМБРАНАСЫНЫҢ БИОФИЗИКАСЫ,............................6
§ I. Биологиялықмембраналарлын кызметі.......... ...........6
§ 2. Биологиялыкмембраналардың кұрылысы......,...............7
§ 3, Биологиялыкмембраналарлы зерттеуәдістері...............15
§ 4. Мембранадағы липидтердің физикалыккүйі.................21
§ 5. Мембранадағы фазалықауысу.......................... 22
§ 6, Биологиялык мембраналар аркылы зат тасымалдау..........24
§ 6,1, Мембрана аркылы енжар (пассивті) зат тасымалдау,..,25
§ 6.2, Белсенді (активті) заттасымалдау.............. 29
11-тарау. БИОЭЛЕКТРЛІК ПОТЕНЦИАЛДАР................................ 32
§ 7. Диффузиялык, мембраналыкжәне фазалык потенциалдар..,...32
§ 8. Тыныштыкпотенциалдары.............................. 35
§ 9, Әрекетпотенциалы.,,,,...,.....,.................... 37
§ 10. Мембрана потенциалынбелгілеу..........................40
§ 11. Жүйке талшыктарынын бойымен әрекет потенциалларлын
таралуы..........,..................... ,.......... 41
§ 12. Жасушалыкмембрананыңиондыкарнасы......................43
§ 13. Кардиомиоцитте әрекет потенциалдың пайла болуы........48
§ 14. Тіндер мен ағзалар электрографиясының биофизикалык
негіздері........................................... 52
§ 14.1. Электрокардиографияның физикалыкнегізі,........56
ІП-тарау. КВАНТТЫҚ БИОФИЗИКА..................................... 62
§ 15, Молекулаларлын кұрылымы жәнеолардын спектрі...........62
§ 15,1. Иондыкжәне коваленттік байланыстағы молекулалар.,,63
§ 15.2. Молекулалардыңспектрі турады ұғым....,....... 66
§ 16. Люминесценция................. ,................... 20
§ 16,1, Флуоросценция. Фосфоросценшія..................73
§ 16.2. Хемилюминесценция.............................-76
§ 17, Фотобиологиялыкпроцестер.................... --78
§ 17.1. Фотобиологиялык әсер спектрі..................-79
§ 17,2. Бастапкы фотоөнімдерлі аныктау әдістері........84
§ 17.3. Босрадикалдар.........................-....
§ 17.4. Акуызға, липидтерге және нуклеин кышқылдарына
ультра күлгін сәуленіңөсері...................... 92
§ 17.5. Фотореактивация..................•.............95
221
§ 17.6. Фотосенсибилизаішяжінған фотобиологиялык
проиестер..................................96
§ 17.7 . Терідегі фотобиологиялык процестер.......98
ІҮ-тарау. ГЕМОДИНАМИКАНЫҢБИОФИЗИКАЛЫК НЕГІЗДЕРІ...............102
§ 18. Сұйыктардағы молекулалык кұбылыстар............102
§ 18.1. Ерітінділер. Осмостык қысым..............104
§ 18.2. Сұйықтыкбеттік керілу күші...............106
§ 19. Гидродинамиканыңнегіздері......................112
§ 20. Қан айналым жүйесініңбиофизикасы...............118
§ 20.1. Қаннынреологиялыкқасиеттері..............119
§ 20.2. Канныңкантамырлар бойымен козғалысы......122
§ 21. Қан айналым жүйесін модельдеу................ 126
У-тарау. Б¥ЛШЫ Қ ЕТ ЖИЫРЫЛУЫНЫҢ БИОФИЗИКАСЫ....................131
§22 . Жұмсақбиологиялықтіндсрдіңқұрылысы.............131
§23 . Жүрек-кан тамырлар жүйесінің кұрылысы және механикалық
қасиеттері...........................................134
§24 . Бұлшықеттер кұрылысы жәнебиомеханикасы.........136
§25 . Бұлшықетжиырылуының механикалықмоделі..........142
§26 . Бұлшықет жүйесініңэлектрлік моделі. Реографияныңнегізі...І49
УІ-тарау. МЕДИЦИНАЛЫҚ ҚҮРАЛДАР МЕН АППАРАТТАР.................155
§ 27. Медико-биологиялық ақпараттарды алу үшін колданылатын
электродтар мен датчиктер............................156
§28 . Электродтар...................................157
§29 . Датчиктер.....................................161
§ 30. Адам ағзасына электрофизикалық факторлармен әсер ету
әдістері..............................................166
§ 30.1. Гальванизацияжәне электрофорезәдістері.,.166
§ 30.2. Электростимуляцияжәнедефибрилляция.......170
§ 30.3. Дарсонвализация жәнеэлектрохирургия......173
§ 30.4. Аэроионотерапия..........................175
§ 30.5. УЖЖ-терапия..............................178
§ 30.6. Индуктотермия............................184
§ 31. Медициналық интроскопияныңнегізгі әдістері.....186
§ ЗІ.І. Рентген сәулесі..........................187
§ 31.2. Ультрадыбыстықэхолокация.................198
§ 31.3. Эндоскопияныңнегізі......................204
§ 31.4. Клиникададыбыстықзерттеулерәдістері......209
§ 31.5. Артериядағы кан қысымынөлшеу.............217
Пайдаланылған әдебиеттер......................................220
222
Оқулық басылымы
Көшенов Бират
МЕДИЦИНАЛЫҚ
БИОФИЗИКА
(Медициналық жогары оку орындарынын,
студенттеріне арналган оқулық)
Редакторы Р.Асанбай
Көркемдеуші редакторы Т. Ииіимов
Техникалык релакторы X. Иишмова
Компьютерліктерілімін жасап, беттеген Д. Кдлқабекова
«Қарасай» баспасы
Алматы қ., Жібек жолы көшесі, 50
Квартал бизнес орталығы, 400-офис
Директор Б. Ә. Асанбаев
Басуға 26.12.2008 ж. қол қойылды.
Пішімі 60x84 Vі£. Офсеттік басылыс. Қаріп түрі «Таймс».
Есепті баспа табағы 14,0.
Таралымы ЮООдана. Талсырыс 208.
ЖШС «Самара-Принт» баспаханасында басылды