Биомеханическая модель скелетной мышцы Текст научной статьи по специальности «Экономика и бизнес»

_МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «СИМВОЛ НАУКИ» №1/2016 ISSN 2410-700Х_

УДК 531/539:61

Бегун Петр Иосифович

докт. техн. наук, профессор СПбГЭТУ «ЛЭТИ»,

г. Санкт Петербург, РФ E-mail: begun@fromru.com

БИОМЕХАНИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ СКЕЛЕТНОЙ МЫШЦЫ

Аннотация

Предложена модель передачи усилия от миофиламентов к сухожилию, позволяющая рассматривать последовательность процессов, происходящих в скелетной мышце при различных режимах сокращения.

Ключевые слова

Cкелетная мышца, модель, сокращение, филаменты, сухожилия, режимы

Скелетные мышцы, составляющие около 40% тела человека, содержат множество волокон диаметром от 10 до 80 мкм. В большинстве скелетных мышц каждое волокно вытянуто во всю длину мышцы. На концах мышечного волокна поверхностный слой сарколеммы сливается с сухожильными волокнами. Клеточная мембрана мышечного волокна двуслойная: внешняя оболочка - базальная мембрана, внутренняя -сарколемма. Между этими оболочками располагаются клетки-сателлиты, играющие существенную роль в процессе миофибриллярной гипертрофии. Каждое мышечное волокно содержит от нескольких сотен до нескольких тысяч миофибрилл. Они занимают 75 - 85 % мышечного волокна. Часть миофибриллы, расположенной между двумя последовательными Z - дисками - саркомер. Длина саркомера приблизительно 2,5 мкм.

Цитоскелет мышечного волокна образуют нитевидные упругие молекулы ряда белков, обеспечивающих фиксацию каждой миофибриллы друг к другу, а также ряд белков, соединяющих Z-диски одной миофибриллы. Костамеры скелетных мышц, также содержащие несколько белков, соединяют Z-диски периферических миофибрилл с сарколеммой, являясь ребрами жесткости цитоскелета (рис. 1). Толщина нити цитоскелета 10 нм. Можно предположить, что расположенные в цитоскелете молекулы являются матрицей, определяющей положения начальных участков сократительных нитей. Пространство между миофибриллами заполнено внутриклеточной жидкостью - саркоплазмой.

а б в

Рисунок 1 - Схемы структур скелетной мышцы: а - локализация костамеров в мышечном волокне (1 -

миофибриллы, 2 - Z -диск, 3 - костамеры, 4 - сарколемма), б - привязка Z - дисков к элементам цитоскелета (1 - Z -линии, 2 - плазмолемма, 3 - миофибриллы, 4 - промежуточные филаменты, 5 - Z -диск,

6 - цитоскелетные филаменты), в - структура Z -дисков

В литературе рассмотрены различные гипотезы, объясняющие процессы, происходящие в мышцах при различных характерах нагружения. К сожалению, представленные и обсуждаемые в публикациях модели процессов передачи усилия от миофиламентов к сухожилию (представляющих одну из интереснейших проблем мышечного сокращения) не отражают адекватно современное представление о функционировании

_МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «СИМВОЛ НАУКИ» №1/2016 ISSN 2410-700Х_

мышцы. Наиболее часто в публикациях приводится трехкомпонентная модель мышцы [1, с. 147]. Основной недостаток этой модели состоит в том, что в скелетной мышце, в отличие от модели, миофибриллы не сопрягаются с сухожилиями. В модель мышцы, приведенной в [2, с. 11], не включены структуры, определяющие расположение саркомеров внутри сарколеммы.

На рис. 2 приведена предлагаемая модель сокращенного мышечного волокна, а на рис. 3 - схема мышцы, которая сокращается в концентрическом режиме (рс, рв, рп, рэ, - давление соответственно в сарколемме, волокне, перемизиуме, эпимизиуме).

Рисунок 2 - Схема деформированного мышечного волокна: 1 -сухожилие, 2 - эндомизиум, 3- базилярная мембрана, 4 сарколемма, 5 - костамеры, 6,7 - продольные и поперечные филаменты (волокна) цитоскелета

Рисунок 3 - Схема мышцы, сжатой при концентрическом режиме: 1 -сухожилие, 2 - эпимизиум, 3-перемизиум, 4- эндомизиум с базилярной мембраной, 5 - сарколемма, 6, 7 - миофибриллы

Сарколемма связана с сухожилием. При сокращении саркомеров уменьшается продольный размер сарколеммы, стягиваемой костамерами, соединенными с Ъ - дисками. Несжимаемая внутритканиевая жидкость, перемещаясь, создает давление и расширяет сарколемму. Деформированная сарколемма перемещает внутритканиевую жидкость и деформирует базальную мембрану и эндомизий. Деформация мышечных волокон вызывает последовательно деформацию перемизиума и эпимизиума. При этом внутритканиевая жидкость, находящаяся в промежутках между соединительно - тканными структурами, перемещаясь создает давления рс, рв, рп, рэ, и деформирует их. Деформированные соединительно - тканные структуры и уравновешивают ту нагрузку, которую преодолевает мышца.

При концентрическом и эксцентрическом режимах расширению сарколеммы препятствуют поперечные элементы цитоскелета, связывающие миофибриллы. Они разрушаются, если напряжения, возникающие в них, превышают допускаемые. При их разрушении нарушается ориентация миофибрилл. Повреждаются Ъ-диски, сарколемма, а также саркоплазматический ретикулум, содержащий кальций.

МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «СИМВОЛ НАУКИ»

№1/2016

ISSN 2410-700Х

Повреждение сарколеммы приводит к активации клеток-сателлитов. За этим следует их деление и последующая гипертрофия мышечного волокна. При эксцентрическом режиме к изгибным деформациям соединительно - тканных структур добавляются деформации растяжения. Расширенная сарколемма вытягивается. Вытягиваются продольные волокна - филаменты цитоскелета. Список использованной литературы:

1. Бегун П.И., Шукейло Ю.А. Биомеханика: Учебник для ВУЗов.— СПб.: Политехника, 2000. — 463 с.

2. Вайн А. А. Явление передачи механического напряжения в скелетной мышце. Тарту: Изд. Тартуского университета, 1990. — 34 с.

© П.И. Бегун, 2016

УДК 504.05

Ковалева Екатерина Геннадьевна

канд. техн. наук, ст. преподаватель БГТУ им. В.Г, Шухова,

Северин Николай Николаевич д-р пед. наук, профессор БГТУ им. В.Г, Шухова, Ермоленко Сергей Анатольевич преподаватель БЮИ, г. Белгород, РФ E-mail: zchs@intbel.ru

СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ПРИРОДНЫМИ РИСКАМИ

Аннотация

На основе научно-методического аппарата анализа природных рисков возникновения чрезвычайных ситуаций приведены схемы управления природными рисками в масштабе страны

Ключевые слова

природный риск, управление, опасность, идентификация, поражающий фактор.

Одной из актуальных проблем обеспечения устойчивого развития как в долгосрочном, так и в краткосрочном плане является управление природными рисками (рисками стихийных бедствий). Под природным риском понимается возможность нежелательных последствий от природных процессов и явлений. Природный риск измеряется вероятной величиной потерь за определенный промежуток времени. Заблаговременное предвидение риска, выявление влияющих факторов, принятие мер по его снижению путем целенаправленного изменения этих факторов с учетом эффективности принимаемых мер составляет управление риском [1, c.41].

Управление должно быть рациональным. Так, в последнее десятилетие в России и во всем мире наблюдается негативная тенденция увеличения потерь от стихийных бедствий. Одной из причин этого явления является направленность государственной политики обеспечения безопасности населения и объектов хозяйства в основном на ликвидацию последствий стихийных бедствий, а не на их профилактику. Необходимость экономии расходов государства потребовала переоценки представлений о сложившемся (как правило, стихийно) соотношении затрат на превентивные меры по снижению рисков и смягчению последствий ЧС, на ликвидацию их последствий [2, c. 138]. Целесообразность проведения мер защиты должна быть обоснована с учетом экономических (в условиях жестких финансовых ограничений) и социальных факторов. Так, повышение уровня защищенности объектов на один порядок требует больших усилий в научно-технической сфере и существенных затрат, сопоставимых с 10-20% стоимости проекта.