Биологический двигатель
Насколько развит проект по внедрению биогазовых установок в Европе (рассмотрим на примере Германии).
Деньги под ногами
Так высказываются обычно люди, которые приезжают из крупных городов на периферию в села, но почему же жители сел не видят этих денег? Потому, что органические остатки, отходы животноводства для них не является ценным сырьем поступление дополнительных доходов. Это воспринимается скорее как органический мусор, которое просто выбрасывается, или как навоз, который вносится на поля. В Европе давно эти «деньги» уже «подмели», поэтому там найти органические остатки, на которых можно зарабатывать, достаточно трудно, даже приходится выращивать их в виде кукурузы.
В нашем хозяйстве есть все возможности, чтобы частично не зависеть от государства, производя для собственных нужд электроэнергию, природный газ, тепло и, кроме того, получать еще и готово ценное органическое удобрение для выращивания экологической продукции. Но не понятно, что этому препятствует: или нежелание зарабатывать дополнительно, отсутствие капиталовложений, давление со стороны государства, все вместе. Возможно, вам как читателям не совсем понятно, о чем сейчас идет речь, и вы подумаете: что за чушь, которые органические удобрения и при чем здесь электроэнергия, газ и т. д.? Теоретически все очень просто: вы покупаете биогазовую установку, наполняете отходами органического происхождения и по желанию получаете электроэнергию, газ, тепло и на выходе — органическое удобрение.
Что такое биогазовая станция?
Биогазовая станция производит способом бескислородного брожения (анаэробного брожения) биогаз и биоудобрения из биоотходов сельского хозяйства, пищевой промышленности и специально выращиваемых энергетических культур.
Промышленная биогазовая станция — это строительный объект, где доля оборудования составляет 50-60 %. Это закрытые реакторы (фермертеры, биореакторы), выполненные из монолитного железобетона или стали с покрытием. Большинство видов сырья можно смешивать, отличие — только в устройствах загрузки сырья. Для твердых видов сырья — это шнековые загрузчики, для жидких — приемные резервуары с насосной станцией. Конструкция — модульная с диаметром от 8 до 24 м и высотой до 9 м. В случае необходимости увеличения мощности биогазовой станции увеличивается количество реакторов.
Принцип работы биогазовой установки
Жидкие биоотходы перекачивают на биогазовой установке фекальными насосами бардопроводом или трубопроводом навозоудаления. Твердые отходы (навоз, помет) доставляются транспортерной лентой, а из хранилища помета или навоза — трактором.
Жидкие отходы попадают не напрямую в реактор, а в предыдущую емкость, где происходит гомогенизация массы и ее подогрева (иногда — охлаждение) до нужной температуры.
Твердые отходы могут выгружаться в емкость с жидкими отходами и перемешиваться с ними, или же только твердые отходы загружаются в специальный шнековый загрузчик.
Из емкости гомогенизации, или загрузчика твердых отходов, навоз, помет или кукурузный силос поступает в реактор (биореактор). Реактор (биореактор) является газонепроницаемым, полностью герметичным резервуаром из кислотоупорной железобетона. Эту конструкцию теплоизолюють слоем утеплителя. Толщину утеплителя рассчитывают под конкретные климатические условия. Внутри реактора поддерживается фиксированная для микроорганизмов температура. Температура в реакторе мезофильные (30 … 41 ° С), в отдельных случаях применяют реакторы с термофильным режимом (около 55 ° С).
Перемешивания биомассы происходит несколькими способами. Способ перемешивания выбирают в зависимости от типа сырья, влажности и других параметров.
Перемешивание осуществляют миксерами, сделанные из нержавеющей стали. В отдельных случаях перемешивание не механическое, а гидравлическое. Есть масса распадается насосами по трубкам в слой, где живут колонии бактерий. Реакторы бывают с деревянным и железобетонным сводом, срок службы — 25-30 лет.
Реактор подогревается теплой водой. Температура воды на входе в реактор — 60, на выходе — около 40 ° С. Система подогрева — это сеть трубок, находящиеся внутри стенки реактора или на ее внутренней поверхности. Если биогазовую установку укомплектован когенерационной установкой (теплоелектрогенератором), тогда воду от охлаждения генератора используется для подогрева реактора. Вода после охлаждения генератора с температурой 90 ° С смешивается с 40-градусной водой и поступает в реактор уже с температурой 60 ° С. Вода специально подготовленная и рециркуляционные. В зимний период биогазовой установке требуется около 70 % вторичного тепла, отводимого от теплоелектрогенератора, в летний — около 10 процентов.
Если биогазовая установка работает только на производство газа, тогда теплую воду берут из специального водонагревательного котла. Расхода тепловой и электрической энергии на нужды самой установки составляют 5-15 всей энергии, которую дает биогазовая установка.
Средний срок гидравлического отстаивания внутри реактора (в зависимости от субстратов) — 20-40 дней. В течение этого времени органические вещества внутри биомассы метаболизируются (преобразовываются) микроорганизмами. Для кукурузного силоса период брожения составляет 70-160 дней, его продолжительность зависит от объема реактора.
Весь процесс брожения отходов выполняют анаэробные микроорганизмы. В реактор микроорганизмы вводят один раз — при первом его запуске, далее никаких добавок микроорганизмов и дополнительных расходов не требуется. Микроорганизмы вводят одним из трех способов: 1) введением концентрата микроорганизмов, 2) добавлением свежего навоза, 3) добавлением биомассы с другой работающего реактора.
Чаще используют второй и третий способы, потому что они дешевле. В навозе уже есть микробы, которые попадают туда еще из кишечника животных. Эти микроорганизмы полезны и не наносят вреда человеку и самим животным. К тому же, реактор — это герметичная система. Поэтому реакторы (биореакторы, фермертеры) размещают вблизи фермы или производства и таким образом имеют два продукта: биогаз и биоудобрения.
Биогаз хранят в емкости, которая называется газгольдер. В ней выравниваются давление и состав газа. Газгольдер представляет собой трехслойную конструкцию из специальной ткани. Материал купола устойчив к солнечному свету, осадков и испарений в реакторе. Срок службы газгольдера — 15 лет. Фото вместимости объема — 0,5-1 день.
Из газгольдера биогаз непрерывно подается в газовый или дизель-газовый теплоелектрогенератор. Здесь и производятся тепло и электричество: с 1 м3 газа можно получить 2 кВт / ч электрической и 2 кВт / ч — тепловой энергии. Крупные биогазовые установки имеют еще и факельные установки, использующие в том случае, когда не работает двигатель / двигатели и биогаз надо сжечь. Управление системой осуществляется автоматически. Система контролирует работу насосной станции, мешалок, системы подогрева, газовой автоматики, генератора. Для управления достаточно одного работника на 2 ч в день, он осуществляет контроль с помощью обыкновенного компьютера. Подготовить человека к такой работе можно всего за две недели.
Биогазовая станция не способна работать полностью автономно, а лишь параллельно в сети, если на производстве, скажем, падает напряжение при запуске сушильного комплекса или, наоборот, высокое напряжение растет, тогда функция ее заключается в том, чтобы подбирать или отдавать электроэнергию. На мегаваттную такую станцию потребуется 60 т / сутки кукурузного силоса (20000 тыс. т / год) при урожайности 30-35 т / га нужно иметь 700 га земли. Если использовать высокоэнергетические сорта кукурузы, эту площадь можно сократить до 400—500 гектаров.
Далеко Европа?
В Германии, когда только начали строить биогазовые установки, их назначением была переработка органических отходов, преимущественно от животноводства, с целью получения перегноя, позже научились получать газ и электроэнергию. С увеличением количества биогазовых установок продуктов переработки стало не хватать, поэтому встал вопрос использования кукурузного силоса, таким образом на сегодня в этой стране почти все биогазовые установки работают на кукурузном силосе.
Семейное хозяйство Брьоккер расположено в 60 км северо-восточнее Мюнстера. Сейчас здесь обрабатывают 200 га земли, из них собственной — 112 га, несколько лет назад докупили 7 га, остальные земли — арендуют.
Цена земли на сегодня в Германии составляет 5,70 евро/м2, или 57000 евро / га, арендная плата ежегодно составляет от 6000 до 9000 евро / га. Во всем мире цена земли зависит от бонитета почвы, только в Германии она одинакова — по той причине, что без земельного участка (любой) вы не начнете собственного производства. На единицы земельной площади (1 га) фермер, согласно федеральному закону, может содержать, например, четыре головы КРС. И если он желает расширять животноводство, но его земельная площадь не позволяет этого сделать, тогда ему нужно ее докупать или брать землю в аренду, а если он не сможет этого сделать, приходится регистрировать себя уже как промышленное предприятие, но тогда меняется система налогообложения, и процентная ставка по налогу уже увеличивается, что делает агробизнес крайне нерентабельным.
В структуре посевных площадей хозяйство имеет 20 га естественных пастбищ, 30 — пшеницы, остальные 150 га — кукуруза. Распределение поступления прибыли в хозяйстве: 25 % — свиноводство, 25 % — скот на откорме, 50 % — биогазовая установка.
Более 15 лет назад руководство Германии захотело перейти от обычных до альтернативных источников энергии. Сначала были заложены хорошие предпосылки для начинающих, и многие фермеры инвестировали свои средства именно в биогазовые установки, но руководство не учло проблем, которые неизбежно будут возникать в дальнейшем. Данный проект, по мнению фермера, более пригодный для внедрения где хозяйства имеют большие площади и возможность высевать больше различных культур.
Немецким законом о возобновляемые источники энергии (в частности, биогазовые установки) не разрешается строить биогазовую установку мощностью свыше 500 кВт / ч. И есть одно предположение, с чем это может быть связано: руководством государства было принято решение сделать оптимальную мощность биогазовой установки 500 кВт / ч, если же эта мощность будет превышать норму, опять же придется менять форму собственности и регистрироваться как промышленное предприятие, а при такой схеме биогазовые установки могут строить абсолютно все фермеры. В некоторых регионах Германии в радиусе 5 км находится в среднем шесть биогазовых установок, и на территории, где они расположены, выращивают, в основном, кукурузу (кое ходят слухи даже о целых кукурузных лесах!) В Германии есть понятие соблюдения ландшафтного парка, когда выращивание всех присущих данному региону видов сельхозживотных и растений является обязательной нормой, а с появлением биогазовых установок эта ситуация может измениться на американскую, когда повсюду растет только кукуруза.
V Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум — 2013
Биологические ритмы или биоритмы – это более или менее регулярные изменения характера и интенсивности биологических процессов. Способность к таким изменениям жизнедеятельности передается по наследству и обнаружена практически у всех живых организмов. Их можно наблюдать в отдельных клетках, тканях и органах, в целых организмах и в популяциях.
Интенсивность большинства физиологических процессов на протяжении суток имеет тенденцию повышаться в утренние часы и падать в ночное время. Примерно в эти же часы повышается чувствительность органов чувств: человек утром лучше слышит, лучше различает оттенки цветов.
Изучение биоритмов организма человека позволит научно обосновать применение лекарственных препаратов при лечении больных.
В последнее время в нашей стране и за рубежом проводятся большие работы по исследованию биоритмов человека , их взаимосвязи со сном и бодрствованием. Поиски исследователей направлены в основном на определение возможностей управления биоритмами с целью устранения нарушений сна. Задача эта особенно актуальна, на наш взгляд, в настоящее время, когда значительная часть взрослого населения земного шара страдает от бессонницы.
Управление внутренними ритмами человека имеет важное значение не только для нормализации ночного сна, но и для устранения ряда заболеваний нервной системы, имеющих функциональный характер (например, неврозов). Установлено, что суточное изменение внутренних ритмов, свойственных здоровому человеку, при болезненных состояниях искажаются. По характеру искажений врачи могут судить о ряде заболеваний на начальной стадии.
По-видимому, большинство болезней у человека происходит вследствие нарушения ритма функционирования ряда органов и систем его организма.
В ходе исторического развития человек и все другие живые существа, населяющие нашу планету, усвоили определенный ритм жизни, обусловленный ритмическими изменениями геофизических параметров среды, динамикой обменных процессов.
Одна из быстроразвивающихся наук XX века — биоритмология, т.е. наука, изучающая циклические биологические процессы, имеющиеся на всех уровнях организации живой системы. Дело в том, что живая система постоянно находится в состоянии обмена веществ с окружающей средой и обладает сложной динамикой процессов, является саморегулирующейся и самовоспроизводящей системой. «Биологические часы» в организме — отражение суточных, сезонных, годовых и других ритмов физиологических процессов.
А так как, темпы научно-технического прогресса сейчас приобретают стремительный характер и предъявляют серьезные требования к человеку , нам кажется, проблема актуальности биоритмов является сегодня самой важнейшей. Бездумное отношение человека к самому себе, как и к окружающей природе, часто является следствием незнания биологических законов, эволюционных предпосылок, адаптивных возможностей человека и т.д., и т.п. Чтобы сохранить здоровье человека и его работоспособность, всесторонне и гармонично развивать его физические и духовные качества, необходима не только настойчивая и плодотворная научно-исследовательская работа, но и большая просветительская работа.
Рассмотрим структурные, функциональные и биологические процессы человека в пространстве и во времени, в тесном взаимодействии с окружающей средой, выявим влияние биологических ритмов на работоспособность, проблемы нарушения биологических ритмов.
Биологические ритмы и работоспособность
1.1. Биологические ритмы и их классификация
Все живое на нашей планете несет отпечаток ритмического рисунка событий, характерного для нашей Земли. В сложной системе биоритмов , от коротких – на молекулярном уровне – с периодом в несколько секунд, до глобальных, связанным с годовыми изменениями солнечной активности живет и человек . Биологический ритм представляет собой один из важнейших инструментов исследования фактора времени в деятельности живых систем и их временной организации.
Повторяемость процессов — один из признаков жизни. При этом большое значение имеет способность живых организмов чувствовать время. С ее помощью устанавливаются суточные, сезонные, годовые, лунные и приливно-отливные ритмы физиологических процессов. Как показали исследования, почти все жизненные процессы в живом организме различны.
Ритмы физиологических процессов в организме, как и любые другие повторяющиеся явления, имеют волнообразный характер. Расстояние между одинаковыми положениями двух колебаний называются периодом, иди циклом.
Биологические ритмы или биоритмы – это более или менее регулярные изменения характера и интенсивности биологических процессов. Способность к таким изменениям жизнедеятельности передается по наследству и обнаружена практически у всех живых организмов. Их можно наблюдать в отдельных клетках, тканях и органах, в целых организмах и в популяциях.
Выделим следующие важные достижения биоритмологии:
1. Биологические ритмы обнаружены на всех уровнях организации живой природы – от одноклеточных до биосферы. Это свидетельствует о том, что биоритмика – одно из наиболее общих свойств живых систем.
2. Биологические ритмы признаны важнейшим механизмом регуляции функций организма, обеспечивающим гомеостаз, динамическое равновесие и процессы адаптации в биологических системах.
3. Установлено, что биологические ритмы, с одной стороны, имеют эндогенную природу и генетическую регуляцию, с другой, их осуществление тесно связано с модифицирующим фактором внешней среды, так называемых датчиков времени. Эта связь в основе единства организма со средой во многом определяет экологические закономерности.
4. Сформулированы положения о временной организации живых систем, в том числе – человека – одним из основных принципов биологической организации. Развитие этих положений очень важно для анализа патологических состояний живых систем.
5. Обнаружены биологические ритмы чувствительности организмов к действию факторов химической (среди них лекарственные средства) и физической природы. Это стало основой для развития хронофармакологии, т.е. способов применения лекарств с учетом зависимости их действия от фаз биологических ритмов функционирования организма и от состояния его временной организации, изменяющейся при развитии болезни.
6. Закономерности биологических ритмов учитывают при профилактике, диагностике и лечении заболеваний.
Биоритмы подразделяются на физиологические и экологические. Физиологическиеритмы, как правило, имеют периоды от долей секунды до нескольких минут. Это, например, ритмы давления, биения сердца и артериального давления. Имеются данные о влиянии, например, магнитного поля Земли на период и амплитуду энцефалограммы человека.
Экологические ритмы по длительности совпадают с каким-либо естественным ритмом окружающей среды. К ним относятся суточные, сезонные (годовые), приливные и лунные ритмы. Благодаря экологическим ритмам, организм ориентируется во времени и заранее готовится к ожидаемым условиям существования. Так, некоторые цветки раскрываются незадолго до рассвета, как будто зная, что скоро взойдет солнце. Многие животные еще до наступления холодов впадают в зимнюю спячку или мигрируют. Таким образом, экологические ритмы служат организму как биологические часы.
Биологические ритмы описаны на всех уровнях, начиная от простейших биологических реакций в клетке и кончая сложными поведенческими реакциями. Таким образом, живой организм является совокупностью многочисленных ритмов с разными характеристиками.
С понятием «ритма» связано представление о гармонии, организованности явлений и процессов. В переводе с греческого слово «ритм», «ритмос» означает соразмерность, стройность. Ритмическими называются такие явления природы, которые периодически повторяются. Это движение небесных тел, смена времен года, дня и ночи, периодичность приливов и отливов. А также чередование максимумов и минимумов солнечной активности.
Различные физические явления отличаются периодическим, волнообразным характером. К их числу можно отнести электромагнитные волны, звук и т.д. В жизни примером служит изменение атомного веса элементов, отражающее последовательное чередование химических свойств материи.
Основные ритмы в природе, наложившие свой отпечаток на все живое на Земле, возникли под влиянием вращения Земли по отношению к Солнцу, Луне и звездам.
Из всех ритмических воздействий, поступающих из Космоса на Землю, наиболее сильным является воздействие ритмически изменяющегося излучения Солнца. На поверхности и в недрах нашего светила непрерывно идут процессы, проявляющиеся в виде солнечных вспышек. Мощные потоки энергии, выбрасываемые при вспышке, достигая Земли, резко меняют состояние магнитного поля и ионосферы, влияют на распространение радиоволн, сказываются на погоде. В результате возникающих на Солнце вспышек изменяется общая солнечная активность, имеющая периоды максимума и минимума.
Многочисленные исследования, проведенные отечественными и зарубежными учеными, показали, что во время наибольшей активности Солнца возникает резкое ухудшение состояние больных, страдающих гипертонической болезнью, атеросклерозом и инфарктом миокарда. В этот период времени происходят нарушения функционального состояния ЦНС, возникают спазмы кровеносных сосудов.
Французские ученые Г. Сардау и Г. Валло установили, что момент прохождения пятен через центральный меридиан Солнца в 84% случаев совпадает с внезапными смертями, инфарктами, инсультами и другими осложнениями.
Ритм – это универсальное свойство живых систем. Процессы роста и развития организма имеют ритмический характер. Ритмическим изменениям могут быть подвержены различные показатели структур биологических объектов: ориентация молекул, третичная молекулярная структура, тип кристаллизации, форма роста, концентрация ионов и т.д.
Установлена зависимость суточной периодики, присущей растениям, от фазы их развития. В коре молодых побегов яблони был выявлен суточный ритм содержания биологически активного вещества флоридзина, характеристики которого менялись соответственно фазам цветения, интенсивного роста побегов и т. д. Одно из наиболее интересных проявлений биологического измерения времени – суточная периодичность открывания и закрывания цветков и растений. Каждое растение "засыпает" и "просыпается" в строго определенное время суток.
Существуют ритмические изменения чувствительности организма к повреждающим факторам внешней среды. В опытах на животных было установлено, что чувствительность к химическим и лучевым поражениям колеблется в течение суток очень заметно: при одной и той же дозе смертность мышей в зависимости от времени суток варьировала от 0 до 10 %
Важнейшим внешним фактором, влияющим на ритмы организма, является фотопериодичность. У высших животных предполагается существование двух способов фотопериодической регуляции биологических ритмов: через органы зрения и далее через ритм двигательной активности организма и путем экстрасенсорного восприятия света. Существует несколько концепций эндогенного регулирования биологических ритмов: генетическая регуляция, регуляция с участием клеточных мембран. Большинство ученых склоняются к мнению о полигенном контроле над ритмами. Известно, что в регуляции биологических ритмов принимают участие не только ядро, но и цитоплазма клетки.
Согласно теории биоритмов, они делятся на три типа и, сумев понять каждый из них, мы сможем влиять на свой организм.
Ультрадианные ритмы — периоды короче, чем 20 часов, наиболее распространенный пример: регулярное короткое сердцебиение.
Циркадианные (околосуточные) ритмы — наиболее изученный класс ритмов, они имеют продолжительность от 20 до 28 часов и включают в себя выработку гормонов, колебание температуры тела и сон. Большинство циркадианных ритмов контролируются биологическими часами, которые называются «супрахиазматическое ядро» (СХЯ), представляющее собой структуру головного мозга размером с булавочную головку. Производство гормона мелатонина приостанавливается благодаря воздействию СХЯ. Пониженный уровень мелатонина вызывает пробуждение через шишковидную железу ( небольшая железа, расположенная между полушариями мозга, вырабатывающая сератонин), которая реагирует на свет (после получения сообщения от СХЯ) Выброс мелатонина носит циклический характер, и наше самочувствие и деятельность во многом зависят от его увеличения или уменьшения. Расстройство биоритмов в связи с перелётом через несколько часовых поясов в большей степени является результатом нарушения циркадианных ритмов и зависит от вырабатываемого в определённый период мелатонина.
Инфрадианные ритмы — выходят за рамки 28 часов и включают в себя менструальный цикл.
Центральное место среди ритмических процессов занимает циркадианныйритм, имеющий наибольшее значение для организма. Понятие циркадианного (околосуточного) ритма ввел в 1959 году Халберг. Циркадианный ритм является видоизменением суточного ритма с периодом 24 часа, протекает в константных условиях и принадлежит к свободно текущим ритмам. Это ритмы с не навязанным внешними условиями периодом. Они врожденные, эндогенные, т.е. обусловлены свойствами самого организма. Период циркадианных ритмов длится у растений 23-28 часов, у животных 23-25 часов. Поскольку организмы обычно находятся в среде с циклическими изменениями ее условий, то ритмы организмов затягиваются этими изменениями и становятся суточными.
Циркадианные ритмы обнаружены у всех представителей животного царства и на всех уровнях организации – от клеточного давления до межличностных отношений. В многочисленных опытах на животных установлено наличие циркадианных ритмов двигательной активности, температуры тела и кожи, частоты пульса и дыхания, кровяного давления и диуреза. Суточным колебаниям оказались подвержены содержания различных веществ в тканях и органах, например, глюкозы, натрия и калия в крови, плазмы и сыворотки в крови, гормонов роста и др. По существу, в околосуточном ритме колеблются все показатели эндокринные и гематологические, показатели нервной, мышечной, сердечно-сосудистой, дыхательной и пищеварительной систем. В этом ритме содержание и активность десятков веществ в различных тканях и органах тела, в крови, моче, поте, слюне, интенсивность обменных процессов, энергетическое и пластическое обеспечение клеток, тканей и органов. Этому же циркадианному ритму подчинены чувствительность организма к разнообразным факторам внешней среды и переносимость функциональных нагрузок. Всего к настоящему времени у человека выявлено около 500 функций и процессов, имеющих циркадианную ритмику.
Биоритмы организма – суточные, месячные, годовые – практически остались неизменными с первобытных времен и не могут угнаться за ритмами современной жизни. У каждого человека в течение суток четко прослеживаются пики и спады важнейших жизненных систем. Важнейшие биоритмы могут быть зафиксированы в хронограммах. Основными показателями в них служат температура тела, пульс, частота дыхания в покое и другие показатели, которые можно определить только при помощи специалистов. Знание нормальной индивидуальной хронограммы позволяет выявить опасности заболевания, организовать свою деятельность в соответствии с возможностями организма, избежать срывов в его работе.
Самую напряженную работу надо делать в те часы, когда главнейшие системы организма функционируют с максимальной интенсивностью. Если человек "голубь", то пик работоспособности приходится на три часа дня. Если "жаворонок" – то время наибольшей активности организма падает на полдень. "Совам" рекомендуется самую напряженную работу выполнять в 5-6 часов вечера.
О влиянии 11-летнего цикла солнечной активности на биосферу Земли сказано много. Но не все знают о тесной зависимости, существующей между фазой солнечного цикла и антропометрическими данными молодежи. Киевские исследователи провели статистический анализ показателей массы тела и роста юношей, приходивших на призывные участки. Оказывается, что акселерация весьма подвержена солнечному циклу: тенденция к повышению модулируется волнами, синхронными с периодом "переполюсовки " магнитного поля Солнца (а это удвоенный 11-летний цикл, т.е. 22 года). Кстати, в деятельности Солнца выявлены и более длительные периоды, охватывающие несколько столетий.
Важное практическое значение имеет также исследование других многодневных (околомесячных, годовых и пр.) ритмов, датчиком времени для которых являются такие периодические изменения в природе, как смена сезонов, лунные циклы и др.
1.2. Влияние биологических ритмов на физическую работоспособность человека.
Имея понятия об основных биологических ритмах, можно рассмотреть влияние биологичеких ритмов на трудоспособность человека.
Окологодовыми (цирканнуальными) называют ритмы, соответствующие смене времен года, т. е, годичные или сезонные, имея в виду, что эти ритмы подобно циркадианным не отличаются жесткой стабильностью периода. Эти ритмы обусловлены вращением Земли вокруг Солнца. Сезонные ритмы сформировались в ходе естественного отбора и закрепились в естественных структурах организма. Весна — это довольно трудное время года, весной совершается больше самоубийств, чаще наблюдается депрессия у лиц с неуравновешенной психикой. Осень же является оптимальным сезоном года для человека. Годовые ритмы свойственны всем физиологическим и психическим функциям. Психическая и мышечная возбудимость у людей выше весной и в начале лета, зимой она значительно ниже. Значительно изменяется обмен веществ, артериальное давление, частота пульса: он становится реже весной и осенью, а учащается зимой и летом. В окологодовом ритме меняется работоспособность человека осенью она наибольшая. Поэтому для реализации творческих замыслов, бесспорно, хороша осень. Лето лучше использовать для закаливания, формирования выносливости.
Рассмотрим влияние месячного, недельного и суточного цикла на работоспособность организма человека.
Месячный цикл в отличие от недельного существует объективно в окружающей нас природе. Это так называемый сидерический месяц — 27 1/3 дня — период вращения Луны вокруг Земли и 29 1/2 дня — синодический месяц — время от одного новолуния до другого. Все месячные циклы так или иначе связаны с ритмом половой активности. При этом, околомесячные циклы, затрагивающие весь организм обуславливают большую устойчивость женского организма, так как колебательный режим у особей женского пола тренирует их физиологические системы и функции, делает их более устойчивыми.
Мы хорошо знаем, что основное действие Луны на Землю связано с взаимодействием их масс (закон всемирного тяготения), проявляющихся в виде приливов и отливов в реках и морях, а так же с экранированием Земли Луной от электромагнитного излучения солнца или дополнительным потоком в виде отраженного света. Это важно знать и учитывать гипертоникам и гипотоникам. Итак, гипертоникам надо остерегаться полнолуния, когда кровь максимально приливает к голове, а гипотоникам — новолуния, когда кровь отливает к ногам. На смене лунных фаз необходимо делать перерывы в работе, для восполнения сил, а также делать кратковременные перерывы в работе на пиках фаз.
Поэтому, желательно, в течение месячного цикла планировать нагрузку на работе, в соответствии, с биологическими ритмами, т.к. в критические дни цикла снижается работоспособность и ухудшается общее самочувствие организма.
В недельных ритмах подчеркнуто выражен социальный (экзогенный) компонент — недельный ритм работы и отдыха, в соответствии с которым изменяются функциональные отправления нашего организма. Динамика работоспособности испытывает влияние недельного ритма: в понедельник происходит врабатываемость после выходных дней, максимум работоспособности наблюдается в середине недели, а к пятнице уже накапливается усталость, утомление и работоспособность падает. Следовательно, в понедельник и пятницу рабочую нагрузку стоит уменьшить за счет других рабочих дней. Недельному биоритму подвержены не только физиологические, но и психические процессы, а точнее целостное протекание тех и других. Вот почему особенно удачным распорядком оказывается тот, когда попеременно усиливается то физическая, то интеллектуальная активность человека. Недельный ритм упорядочил трудовую деятельность, приспособив ее к физическим возможностям и потребностям организма. Ритм этот не случаен, и борьба с ним — это борьба человека с его же собственными, но еще не познанными законами.
Конечно, нельзя жить строго по расписанию, но учитывать особенности каждого дня и, сообразуясь с этим, контролировать себя вполне возможно. Распределяя рабочую нагрузку, учитывайте следующее:
а) не планируйте трудовые подвиги в понедельник. Понедельник – день конфликтов, инфарктов и инсультов;
б) дни активных действий – вторник, среда, четверг;
в) пятница – день спокойной, рутинной работы, не требующей нагрузки и напряжения.
Смена дня и ночи, времени года приводит к тому, что органы человека также ритмично изменяют свою активность. Суточный цикл, один из основных циклов, влияющих на работоспособность человека.
Самочувствие человека во многом зависит от того, насколько режим труда и отдыха соответствует его индивидуальным биоритмам . Активизация органов подчиняется внутренним биологическим часам. При энергетическом возбуждении организма происходит взаимодействие главных органов, подстройка их друг под друга, и под изменения окружающей среды. Полный цикл энергетического возбуждения органов завершается примерно за 24 часа. Причем максимальная активность органов длится около двух часов. Именно в это время органы человека лучше поддаются лечебному воздействию.
Ниже приводится время максимальной активности человека в его суточном биоритме :
печень — с 1 до 3 часов ночи;
легкие — с 3 до 5 часов утра;
толстая кишка — с 5 до 7 часов утра;
желудок — с 7 до 9 часов утра;
селезенка и поджелудочная железа — с 9 до 11 часов утра;
§ 64. Движение в живой природе
Монада, точка малая средь вод,
Без ног, без членов плавает, снует,
Там вибрион, как угорь вьется,
Живым мерцает колесом Сувойка,
А там играет формами Протей,
То шар, то куб, то будто червь иль змей.
Э. Дарвин
Какой механизм лежит в основе движения живых организмов? Как действуют биологические моторы? Как работают мышцы? Каков механизм движения отдельных клеток и одноклеточных организмов?
Урок-лекция
МНОГООБРАЗИЕ ФОРМ ДВИЖЕНИЯ ЖИВОГО. Движение — одно из фундаментальных свойств живого. В повседневной жизни мы сталкиваемся в основном с движением, которое осуществляется благодаря работе мышц; это и бег коня, и полет бабочки, и ползание дождевого червя, и плавание карася. В основе этих внешне столь различных форм движения лежит активность мышечных волокон. Но не только сокращение мышц обеспечивает движение. Одноклеточные организмы, например амебы, жгутиконосцы, инфузории, тоже обладают способностью к перемещению в пространстве. Перемещения разного рода осуществляются и внутри самих клеток: движение вакуолей, транспортных пузырьков, содержащих выработанный клеткой секрет, расхождение хромосом делящейся клетки. Есть ли что-либо общее между всеми этими столь различными на первый взгляд процессами?
ПРИЧИНЫ ДВИЖЕНИЯ ЖИВОГО. Из приведенных выше примеров следует, что движение живых организмов является механическим движением, а причиной любого механического движения являются силы. В частности, причиной движения планет является гравитационная сила Солнца. Причиной движения двигателей, построенных человеком, являются либо электромагнитные силы (электродвигатели), либо сила давления горячего газа на поршень (тепловые двигатели). Что же является причиной движения живых организмов?
Как вам уже известно, субстратом жизни служат полимерные молекулы белков и нуклеиновых кислот. Все процессы в живом организме происходят вследствие химических реакций между этими и другими молекулами, составляющими живой организм или поступающими в организм. Каким же образом химические превращения способны вызвать механическое движение?
Раскадровка движения балерины
Среди различных белков, составляющих организм, важную роль играют молекулы, получившие название белки — молекулярные моторы Характерным свойством таких молекул является способность изменять свою форму, т. е. взаиморасположение отдельных составляющих молекулы. Примером такого белка является молекула миозина, которая при наблюдении в электронный микроскоп видна как короткая толстая нить с утолщением-головкой на одном из концов. Эта головка способна поворачиваться относительно нити (рис. 73).
Рис. 73. Движение головки миозина
Если головку прикрепить к какой-либо другой молекуле, при повороте она способна совершать механическую работу. Откуда берется энергия для такой работы? Энергию поставляет молекула АТФ — универсальный источник энергии клеток всех живых организмов.
Однако при движении головки относительное изменение длины молекулы миозина оказывается незначительным. Мышцы, созданные из таких молекул, могли бы сокращаться на единицы процентов (реальное сокращение мышц может доходить до 50%). И природа «исхитрилась» создать мотор, работающий по циклу, подобно тепловым двигателям, созданным человеком. Правда, произошло это за миллиарды лет до создания человеком тепловых двигателей. Биологический двигатель состоит из двух молекул — миозина, осуществляющего движение, и актина, молекулы которого, соединяясь между собой, образуют длинные тонкие нити. Рабочий цикл актин-миозинового мотора схематично изображен на рисунке 74.
Рис. 74. Схема рабочего цикла актин-миозинового мотора
Следует отметить, что КПД такого двигателя (отношение совершенной механической работы к затраченной энергии) в несколько раз превосходит КПД тепловых двигателей, созданных человеком. Человек еще не достиг совершенства, имеющегося в природе; возможно, двигатели, подобные биологическим, будут изобретены в будущем.
Биологические моторы основаны на взаимодействии двух типов молекул: молекулы, изменяющей форму, и перемещаемой молекулы. Эти молекулярные комплексы ра-циклично и обусловливают все движения, которые наблюдаются в живой природе.
Что же регулирует циклическую работу биологического двигателя? Под воздействием нервного импульса в цитоплазме увеличивается концентрация ионов Са 2+ . Они способствуют контакту актина с миозиновой головкой и соединению миозина с одной из составляющих молекулы АТФ (в определенном смысле действие ионов кальция подобно действию катализаторов при химической реакции). После того как миозиновая головка совершила очередное тянущее движение, концентрация ионов кальция уменьшается (см. рис. 74).
МЫШЕЧНОЕ СОКРАЩЕНИЕ. Рассмотрим работу мышцы. Схема мышцы приведена на рисунке 75. Мышечные волокна, имеющие диаметр порядка 50 мкм, состоят из отдельных цилиндрических структур — миофибрилл, которые имеют диаметр 1—2 мкм.
Рис. 75. Схема строения мышцы
Если сделать поперечный срез миофибриллы и взглянуть на него через электронный микроскоп, то можно увидеть правильно чередующиеся тонкие нити белка актина и толстые, связанные в пучок своими хвостовыми концами молекулы миозина. При зацеплении головки миозина за актиновую нить образуются поперечные мостики.
Основу работы мышцы составляет работа множества элементарных актин-миозиновых биологических моторов.
Схема работы отдельной сократимой единицы миофибриллы приведена на рисунке 76.
Рис. 76. Схема работы миофибриллы: расслабленное состояние (а), сокращенное состояние (б)
В расслабленном состоянии мышцы миозиновые и актиновые нити перекрываются незначительно. После нескольких циклов актин-миозиновых моторов актиновые нити оказываются втянутыми в промежутки между миозиновыми нитями, что приводит к сокращению мышцы.
УНИВЕРСАЛЬНЫЙ ХАРАКТЕР БИОЛОГИЧЕСКОГО ДВИЖЕНИЯ. Описанные биологические моторы обусловливают различные движения живых организмов. Примерами таких движений являются изменение формы клетки и образование перетяжки между дочерними клетками в ходе клеточного деления, движение жгутиков и ресничек простейших живых организмов (жгутиконосцы, инфузории), амебовидное движение — один из самых распространенных способов перемещения клеток.
Исследование амебоидного движения показало, что в прилежащем к наружной плазматической мембране амеб слое цитоплазмы имеется сеточка из нитей актина и миозина. Сокращение и расслабление этой сеточки фактически изменяет упругость наружной оболочки, в результате чего цитоплазма перетекает в область, где эта упругость меньше. В этой области образуется вырост — псевдоподия, которая закрепляется на окружающих амебу телах. Затем вещество амебы постепенно перекачивается в область, где закрепилась псевдоподия, после чего цикл повторяется.
Подобный способ движения характерен также для лейкоцитов — элементов крови человека и позвоночных животных — участвующих в иммунном ответе организма. Перемещаясь, как амебы, эти клетки скапливаются вокруг проникших в организм инородных объектов и нейтрализуют их вредное воздействие на организм,
Движение при помощи жгутиков и ресничек чрезвычайно распространено среди одноклеточных организмов. Изгибаясь, жгутики и реснички совершают сложное движение. Движение жгутика напоминает движение гребного винта. Движение реснички напоминает движение рук человека, плывущего брассом: вначале следует прямой удар ресничкой, затем она изгибается и медленно возвращается в исходное положение.
Несмотря на огромное разнообразие форм движения живых существ, все они оказываются достаточно сходными и основанными на одних и тех же молекулярных механизмах.
Жгутики и реснички не содержат мышц. Под микроскопом видно, что жгутики и реснички состоят из микротрубочек, образованных молекулами белков. К каждой микротрубочке прикреплены ручки, образованные белком — молекулярным мотором (рис. 77).
Рис 77. Схема, иллюстрирующая механизм изгибания жгутиков и ресничек
Цикл движения состоит в том, что ручки микротрубочки цепляются за соседнюю микротрубочку, затем, изгибаясь, подтягивают соседнюю микротрубочку, после чего, отцепляясь, возвращаются в исходное положение. Таким образом, функцию актина в актин-миозиновом комплексе в данном случае выполняют микротрубочки. Если микротрубочки одним концом скреплены между собой, то при циклическом движении ручек происходит изгиб микротрубочек.