89703

ЭЛЕМЕНТЫ БИОФИЗИКИ ОРГАНОВ ЧУВСТВ

Доклад

Биология и генетика

Функцию получения и переработки информации об условиях внешней среды в организме выполняют органы чувств. По существу органы чувств представляют собой измерительные устройства для анализа внешних физических стимулов а также для оценки эффективности действий производимых организмом. Таким образом органы чувств выполняют роль обратной информационной связи в системе организмсреда.

Русский

2015-05-13

147.4 KB

6 чел.

ЭЛЕМЕНТЫ БИОФИЗИКИ

ОРГАНОВ ЧУВСТВ

Организм представляет собой сложную самоорганизующуюся систему, которая характеризуется обменом веществ, энергией и информацией с окружающей средой. Целесообразное реагирование организма, при постоянно меняющихся условиях внешней среды, возможно только при наличии непрерывного поступления в организм информации от окружающей среды. Функцию получения и переработки информации об условиях внешней среды в организме выполняют органы чувств. По существу, органы чувств представляют собой измерительные устройства для анализа внешних физических стимулов, а также для оценки эффективности действий, производимых организмом. Таким образом, органы чувств выполняют роль обратной информационной связи в системе «организм-среда». В 1968 г. Мэчи предложил следующую схему, показывающую взаимодействие организма с внешней средой. Схема имеет вид:

Схема, показывающая взаимодействие организма и внешней среды (по Мэчину)

При исследовании работы органов чувств представляют интерес два аспекта:

  1.  кибернетический;
  2.  биофизический.

Кибернетический аспект заключается в изучении принципов кодирования и передачи информации в органах чувств.

Биофизический аспект заключается в исследовании конкретных физико-химических процессов взаимодействия факторов внешней среды с органами чувств, что приводит к трансформации энергии внешнего воздействия в специфические сигналы, пригодные для анализа нервной системой.

При действии внешнего стимула на органы чувств у человека, возникает специфическое ощущение. Зависимость между величиной ощущения и величиной действующего стимула сформулирована в законе Вебера-Фехнера. В 1760 г. Буггер установил, что соотношение минимального воспринимаемого изменения освещенности к величине освещенности есть величина постоянная в широких пределах освещенности:

Такое же постоянство отношения минимально воспринимаемого прироста раздражения () к его исходной величине (R) было установлено Вебером и для других сенсорных систем, то есть:

Так, например, прирост в весе груза, чтобы стать ощутимым, должен превышать ранее действующий вес на 3%. Фехнер предположил, что минимальный прирост ощущения () относительно исходного уровня ощущения (S) также постоянен, тогда:

, где k- коэффициент пропорциональности.

Интегрируя это уравнение и проведя алгебраические преобразования, Фехнер получил следующее выражение:

 S = a lg R + b, где a, b – постоянные.

Таким образом, согласно закону В-Ф, величина ощущения S пропорциональна log силы раздражения. Эта зависимость обусловлена принципом кодирования информации в рецепторном аппарате органов чувств.

Рецепторы представляют собой или специфические окончания афферентных нервных волокон, или нервные окончания в соединении со специализированными клетками, или структурами. Во всех случаях рецептор действует, как преобразователь энергии раздражения в энергию нервного ответа.

При действии внешнего стимула изменяется ионная проницаемость рецепторных мембран, что вызывает их деполяризацию. Это возникает под действием стимула и деполяризация называется генераторным потенциалом (ГП). Величина ГП пропорциональна log интенсивности действующего раздражителя. ГП рецептор клетки генерирует в афферентном нервном волокне ПД, который служит сигналом, передающим информацию в нервной клетке и нервной системе. Между величиной ГП и частотой появления ПД в афферентном волокне, наблюдается линейная зависимость.

Нервное волокно может находиться в двух состояниях:

1 – в возбужденном, когда есть ПД;

2 – в невозбужденном, когда ПД отсутствует.

Таким образом, в нервной системе имеется дискретная двоичная форма кодирования информации, как в цифровых ЭВМ. Как показывает эксперимент, информация в нервной системе кодируется не последовательностью ПД, а их частотой появления, как в аналоговых вычислительных машинах, где различные модулированные показатели, представленные аналогами, изменяются пропорционально величине модулированных факторов.

Поскольку между интенсивностью стимула и величиной ГП существует логарифмическая зависимость, а ГП связан с частотой ПД линейно, интенсивность стимула и частота ПД должны быть связаны логарифмической функцией. Работы Метьюса, Грэма и других, выполненные с помощью микроэлектронной техники, подтверждают, что частота пропорциональна логарифму величины действующего раздражителя.

  - частота ПД.

m,n=const.

Таким образом, по-видимому, данная зависимость преобразования интенсивности действующего стимула (R) в частоту нервных импульсов в афферентных волокнах и обуславливает логарифмическую зависимость величины ощущения от интенсивности раздражителя.

ЭЛЕМЕНТЫ БИОФИЗИКИ СЛУХА

ФУНКЦИИ ВСПОМОГАТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

НАРУЖНОГО И СРЕДНЕГО УХА

В органе слуха принято выделять три части:

  1.  наружное ухо;
  2.  среднее ухо;
  3.  внутреннее ухо.

Упрощенную схему органа слуха можно представить в виде:

Схема органа слуха.

СП – слуховой проход; БП – барабанная перепонка; М – молоточек; Н – наковальня;

С – стремечко; ОО – овальное окно; ВЛ – вестибулярная лестница;

УП – улитковый проток; БЛ – барабанная лестница; Г – геликотрема;

КО – круглое окно; НУ – наружное ухо; СУ – среднее ухо.

Слуховые рецепторы расположены во внутреннем ухе, тогда, как вспомогательные элементы, способствующие слуховой рецепции, присутствуют во всех частях органа слуха.

Наружное ухо включает ушную раковину и слуховой проход. С ним связано свойство направленности слухового восприятия, под которым понимают лучшее восприятие звуков, идущих в определенном направлении. Это обеспечивает локализацию источника звука в пространстве (ототолику), кроме этого, слуховой проход служит резонатором. Его резонансная частота у человека лежит в области частот примерно 3 кГц, но резонансная кривая имеет уплощенную форму, поскольку добротность СП, как колебательной системы, невелика. Разница в коэффициенте передачи звуков резонансной и не резонансной частот не более 1 порядка. Границей между наружным и средним ухом служит БП. НУ защищает БП от механических повреждений и, поддерживая определенные микроклиматические условия (температуру, влажность и пр.), стабилизирует ее механические свойства. Таким образом, НУ выполняет следующие функции:

  1.  Локализация звука в пространстве.
  2.  Усиление звукового сигнала (резонансное).
  3.  Механическая защита БП.
  4.  Обеспечение микроклимата, что необходимо для нормального функционирования БП.

По СУ звук проводится цепочкой слуховых косточек: М, Н, С. рукоятка М зафиксирована на БП, а его головка образует сустав с Н, который сочленяется с С. Основание С погружено в ОО, которое служит входом во ВУ, поэтому система БП и слуховых косточек СУ выполняет роль связующего звена между атмосферой и ВУ, заполненным жидкостью. Если бы звук переходил из воздуха в жидкость непосредственно, то интенсивность звуковой волны падала бы из-за сильного отражения звука на границе раздела сред с различным акустическим импедансом []. Жидкость обладает большей по сравнению с воздухом. БП (исключает) и система слуховых косточек обеспечивает согласование воздуха и жидкости ВУ, вследствие чего уменьшаются потери интенсивности звуковой волны при переходе из атмосферы во ВУ.

Согласование и усиление звука обеспечивается благодаря двум обстоятельствам:

  1.  Поверхность БП примерно в 25 раз больше площади ОО, за счет разницы в площадях на входе и выходе системы механической передачи происходит усиление давления на жидкость ВУ, относительно звукового давления, воздействующего на БП.
  2.  Слуховые косточки так расположены в цепочке, что при их движении, они образуют рычаги силы и увеличивают давление на основание С по сравнению с давлением на рукоятку М. Вся система передачи звука в СУ работает наподобие гидравлического пресса с примерно 90 кратным выигрышем в силе.

Максимальный коэффициент усиления давления характерен для звуковых волн с f примерно 1 кГц. Звуковые колебания, как меньших, так и больших f, усиливаются слабее, так как для них слуховые косточки СУ хуже согласовывают , и часть звуковых волн с f примерно 1 кГц, при их средней интенсивности, передается на ВУ практически без потерь. Однако, и для них коэффициент передачи может снижаться и оказывается даже меньше 1. Это имеет место в том случае, когда звук становится слишком интенсивным. Это сопровождается ощущение покалывания, а затем и боли в ушах. Понижение коэффициента передачи происходит при помощи тоненьких мышц, которые прикрепляются к М и С. В ответ на сильные звуки, они рефлекторно сокращаются и уменьшают подвижность системы слуховых косточек.

Итак, систему передачи звука, сосредоточенную в СУ, можно считать механическим преобразователем (усилителем), обладающим переменными регулируемым коэффициентом передачи давления с БП на жидкость ВУ. При разрушении слуховых косточек слух полностью не теряется, но понижается примерно в 1000 раз.

СУ выполняет следующие функции:

  1.  Связующую между атмосферой и ВУ.
  2.  Согласования атмосферы (воздуха) и жидкости ВУ.
  3.  Усиление звукового сигнала.
  4.  Защитная, при больших интенсивностях звука.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

82272. Методы социальных и гуманитарных наук 42.51 KB
  Абстрагирование важнейший метод научного постижения реальности. Результатом применения этого метода является абстракция. Наряду с абстрагированием важнейшим методом научного познания на эмпирическом уровне познания является индукция. Индукция это метод движения мысли от менее общего знания к более общему.
82273. Вненаучное социальное знание. Взаимодействие социальных, гуманитарных наук и вненаучного знания в экспертизах социальных проектов и программ 39.26 KB
  Взаимодействие социальных гуманитарных наук и вненаучного знания в экспертизах социальных проектов и программ. Эйнштейн ищут основания знания в философии и художественной литературе. Антифундаменталистская тенденция просматривается в истолковании всех важнейших областей научного познания: математического естественнонаучного гуманитарного. В то время как сциентизм базируется на абсолютизации рациональнотеоретических компонентов знания антисциентизм опирается на ключевую роль этических правовых культурных ценностей по отношению к идеалу...
82274. Дисциплинарная структура социально –гуманитарного знания и междисциплинарные исследования. Дифференциация и интеграция знаний 37 KB
  В дальнейшем проблематика связанная с первым типам междисциплинарности практически полностью стала изучаться в рамках исследований по классификации науки и ее развития. При этом главная Наука как социальный институт задача состоит в том чтобы преодолеть в процессе исследований отмеченное в свое время И. Эта задача пусть и не всегда в явной форме стоит перед участниками междисциплинарных исследований любого масштаба . Успешное осуществление междисциплинарных исследований предполагает одновременное решение трех видов проблем:...
82275. Переопределение парадигм и предметно- тематических направлений, появление новых областей исследования 38.77 KB
  В ходе развития науки в последней трети XX в. Ее фундамент составляют ставшие общенаучными принципы развития и системности. Такое понимание процессов развития исходит из синергетики. Вопервых принцип развития эволюции в современной науке получил статус фундаментальной мировоззренческой и методологической константы.
82276. Роль СГН и вненаучного знания в экспертизах социальных проектов и программ 32.11 KB
  Социальногуманитарные науки являются социальнокультурным феноменом изменяются вместе с обществом. Социальногуманитарные науки необходимы для разработки стратегии развития общества для понимания человеком своего места в социальной среде. Социальная политика всегда нуждается в социальной науке так как первая – лишь излагает определенные идеалы а вторая – мысленно упорядочивает факты и предлагает варианты действий М. Социальногуманитарные науки развиваются в настоящее время по следующим основным направлениям: сближение с...
82277. Изменения дисциплинарной структуры социально-гуманитарного знания в современных условиях. Смена лидирующих дисциплин 35.88 KB
  Вместе с тем региональные и функциональные различия науки обусловленные уровнем экономического технологического развития природными ресурсами вносят определенную спецификацию в совокупный потенциал развития науки. Одним из бесспорных мировоззренческих итогов науки начала XXI в. В основе научного мировоззрения лежит представление о возможности научного постижения сущности многообразных явлений современного мира о том что прогресс развития человечества связан с достижениями науки. Острые споры ведутся вокруг проблемы взаимоотношений...
82278. Возрастание роли гуманитарных знаний в современном обществе. «Сообщество знания». Значение опережающих социальных исследований для решения социальных проблем и предотвращения социальных рисков 31.17 KB
  Значение опережающих социальных исследований для решения социальных проблем и предотвращения социальных рисков. В этом состоит значение основополагающих социальных исследований. Важнейшими функциями социальных наук в современном обществе является критика действительности и ее проблематизация. Изучаются явления лежащие на стыке социальных и экономических сфер жизнедеятельности общества.
82279. Проблема глобализации в социально-гуманитарных науках 32.66 KB
  Учение интенсивно развивается и в рамках биологии исследование механизмов эволюции на молекулярном клеточном организменном уровнях. Для того чтобы описать движущие силы эволюции любого объекта нашего мира был создана синергетика новая междисциплинарная область Н исследований новое направление решения Н проблем. В настоящее время в Н в целом и в синергетике в частности используется принцип нелинейности многовариантности альтернативности путей темпов эволюции необратимости эволюции возможность непредсказуемых изменений. Поновому...
82280. Философия как интегральная форма научных знаний об обществе, культуре и человеке. (Аристотель, Гегель, Гоббс) 36.04 KB
  Ее называли наукоучением метанаукой наукой о науке а в западной традиции – эпистемологией учением о знании или философией науки. Философия – фундаментальное основание теоретической науки. Философия науки – это область лежащая на границе философии и конкретного научного математического естественнонаучного гуманитарного социального технического знания. Как известно существуют различные науки: математика естествознание гуманитарные социальные и технические науки.