Биомеха́ника — раздел естественных наук, изучающий на основе моделей и методов механики механические свойства живых тканей, отдельных органов, или организма в целом, а также происходящие в них механические явления.

Основная цель биомеханики состоит в изучении способов, посредством которых тело прикладывает усилия и совершает движения. Эта дисциплина основана, главным образом, на анатомии, математике и физике; связанные с ней дисциплины - это антропометрия (исследования, связанные с измерениями человеческого тела), производственная физиология и кинезиология (исследование принципов механики и анатомии в связи с человеческим движением).

Структура[править | править код]

Биомеханика состоит из 3 частей: механики макроскопических движений организма; гидродинамики кровообращения и внеш. дыхания; механики мышечного сокращения. Биомеханика возникла раньше др. областей биомеханики. Так, изучение механики движения и кровообращения началось задолго до появления биомеханики как самостоятельные научные направления.

Специфика биомеханики связана с важной ролью регуляторных процессов, обеспечивающих обратные связи. Благодаря этому механические (или гидродинамические) параметры (тип конструкции, вязкость жидкости, размеры сосудов, жёсткость и т. п.), которые в механике принимаются постоянными, в биомеханике могут зависеть от состояния системы.

Скелет представляет собой конструкцию со многими степенями свободы. Система мышц и программа их упорядоченных во времени сокращений накладывает ограничения, выделяющие одну степень свободы, именно ту, к-рая наиболее приспособлена для выполнения необходимой в данный момент функции. Аналогичные искусств. конструкции многоцелевого назначения уступают реализованным в живой природе. Элементы биол. макроконструкций (т. е. кости и хрящи скелета животных, стебли растений и т. д.) также обладают спецификой: эти элементы механически гетерогенны и построены из анизотропных "материалов". Эта особенность обеспечивает биол. конструкциям высокую прочность при миним. затратах материала.

Биомеханика периодических (в частности, перистальтических) движений органов связана, в первую очередь, с деятельностью биол. насосов - сердца, лёгких и тонкого кишечника. К специфике биол. насосов можно отнести то, что их стенки состоят из мышечной ткани и способны к периодическому сокращению (что и обеспечивает перекачку). Кроме того, деятельность насосов регулируется нервными импульсами, поступающими из организма.

Биомеханика кровеносной и дыхательной систем описывает процессы газообмена (снабжение организма кислородом и удаление из него углекислоты). Специфика её в следующем: кровь по свойствам существенно отличается от ньютоновской жидкости, поэтому течение её по сосудам не описывается уравнением Пуазёйля; при движении крови по капиллярам (микроциркуляция) эффективная вязкость и др. параметры не постоянны, а зависят от скорости оксигенации (дезоксигенации) гемоглобина и др. процессов; при движении дыхат. газов в ветвящейся бронхиально-альвеолярной системе поверхностное натяжение альвеол не остаётся постоянным, а регулируется организмом в зависимости от его потребностей.

Биомеханика мышечного сокращения включает молекулярные процессы сокращения мышечного волокна и управления ими. Мышечное волокно содержит фибриллярные (нитевидные) белки, которые могут скользить относительно друг друга. Структура их (см. Клеточные структуры,)такова, что имеется одна выделенная степень свободы, вдоль к-рой и происходит скольжение. Работа совершается мышцей за счёт гидролиза АТФ. Управление сокращением мышц осуществляется нервными (или в экспериментах электрическими) импульсами, которые инициируют сокращение. В гладких мышцах сокращение вызывается волной возбуждения в самой мышечной ткани. Механизм её возникновения и распространения описывается теорией автоволн. В летательных мышцах насекомых периодическое сокращение происходит с частотой ~102 Гц и представляет собой автоколебательный процесс. При этом спец. внеш. стимула для каждого сокращения не требуется, управление осуществляется за счёт воздействия нервных импульсов на параметры автоколебаний.


Биомеханическая детерминация морфогенеза[править | править код]

При локализации зародыша человека в маточной трубе на голову зародыша давление со стороны стенок маточной трубы действует неравномерно. По лобно-височно-затылочной линии мозг зародыша испытывает тангенциальное сжатие, в результате которого стенка мозга в теменной области утрачивает свою механическую напряженность. Пласты теменной области свободны от натяжений, существующих в нормальном развитии, и могут демонстрировать реакции, характерные для ненапряженных пластов. С одной стороны, при усилении механического давления на стенки мозга происходит увеличение поляризации клеток радиальной глии, снижается интенсивность пролиферации и увеличивается площадь внутренней поверхности стенок мозга, с другой — свободные края пластов подвергаются гиперплазии, а пролиферация нейробластов быстро возрастает. Анализ патологических случаев развития эмбрионов вне матки показывает, что механическое напряжение нейроэпителиальных пластов является необходимым условием для их нормального развития. Сходные результаты были получены при анализе менингоэнцефалоцельных грыж эмбрионов человека. Было показано, что интенсивность пролиферации нейробластов напрямую зависит от механической напряженности пласта: чем менее напряжен пласт, тем выше в нем пролиферация, и наоборот. Анализ конкретных случаев патологии раннего эмбрионального развития головного мозга человека позволяет выделить группу механозависимых аномалий. При релаксации пластов эта группа характеризуется деструкцией клеток радиальной глии, усилением пролиферации и гиперплазией нейроэпителия. При усилении тангенциального давления на стенку эмбрионального головного мозга характерными признаками механозависимой аномалии являются: поляризация клеток радиальной глии, остановка стратификации и снижение интенсивности пролиферации.

При изучении рецепторных свойств эмбриональных клеток проводилось кратковременное и обратимое растяжение или сжатие нейроэктодермы на стадиях бластулы, гаструлы, нейрулы и нервной трубки у четырех видов амфибий. Было установлено, что со стадии бластулы нейроэктодермальные клетки воспринимают направление обратимого механического растяжения или сжатия пласта. Если опыт проводили на стадиях бластулы или гаструлы, то нейруляция останавливалась на самых ранних стадиях. При проведении аналогичных экспериментов на стадии нервной пластинки локально нарушалось развитие и дифференцировка мозга. Изменяя место и направление воздействия на нервную пластинку, удавалось получить различные формы анэнцефалии в сочетании с гипотелоризмом, мозговыми грыжами и кистозным расщеплением позвоночника.

Ранние эмбриональные отклонения развития, связанные с нарушением нейруляции, и их отдаленные морфологические проявления у плодов и новорожденных. Верхний ряд: анэнцефалии (А, Б), циклопия (В) и сочетанные аномалии этмоидной области (Г). В нижнем ряду представлены ранние эмбриональные отклонения развития: остановка развития на стадии нейруляции (Д), 2 варианта spina bifida (Е, Ж), анэнцефалия в сочетании со spina bifida (З) и анэнцефалия (И). Метка рядом с эмбрионами составляет 1 мм.

Активация механозависимых ионных каналов — первая реакция клеток на деформацию стенок мозга при раннем эмбриональном формообразовании. Первичное считывание позиционного сигнала формирует детерминационный сигнал, который приводит к изменению автогенетических процессов, завершающихся направленной экспрессией структурных генов. Изменение пространственной организации мозга – это следствие морфологической реализации механо-химической разметки процессов формообразования, которые реализуются в региональной экспрессии специфических генов.


Источники[править | править код]

1. Александр Михайлович Балдин, Александр Михайлович Прохоров, и Алексей Михайлович Бонч-Бруевич - Физическая энциклопедия.

2. С.В. Савельев - Патология эмбрионального морфогенеза головного мозга человека.

Материалы сообщества доступны в соответствии с условиями лицензии CC-BY-SA, если не указано иное.