Biofyzika faktorov vonkajšieho

prostredia

Ekobiofyzika – interakcie organizmu s fyzikálnymi faktormi

vonkajšieho prostredia

Kontakt s okolitým prostredím

– koža
– dýchací systém
– tráviaci systém

Faktory vonkajšieho prostredia – fyzikálne, chemické

biologické, spoločenské

Fyzikálne faktory:

– mechanické
– akustické
– klimatické
– elektrické
– magnetické
– ionizujúce a neionizujúce žiarenie

Účinky mechanických faktorov

• charakter – statický a dynamický

účinky gravitácie a zrýchlenia

• ľudský organizmus – adaptovaný na jednosmerné

pôsobenie gravitačného zrýchlenia (g = 9,81 m.s-2)

• preťaženie – niekoľkonásobné zrýchlenie ako g

– kladné preťaženie – pôsobiaca sila smeruje od hlavy

k nohám

• biela slepota
• kritická hodnota 5 g

– záporné preťaženie – pôsobiaca sila smeruje od nôh

k hlave

• červená slepota
• kritická hodnota 3 g

– priečne preťaženie - kritická hodnota 18 g

beztiažový stav – odstredivá a

dostredivá sila sú v rovnováhe

– zaniká dráždenie

vestibulárneho systému

kinetózy – opakované nepravidelné

striedanie záporného a kladného
zrýchlenia

účinky tlaku

• zmeny atmosférického tlaku

– podtlak
– pretlak

• tlak klesá s nadmorskou výškou

- výšková hypoxia

– náhly výstup do výšky nad 3000 m

- horská (výšková) choroba

Henryho zákon

p

V

V

k

p

.





Kesónova choroba

- pretlakové komory

• dysbarizmus

• barotrauma

účinky mechanickej energie

• mechanická trauma organizmu – pri náraze, náhlej

zmene smeru pohybu, pri dlhodobom pôsobení tlaku

– otrasy mozgu, srdca

• mechanické kmitanie hmotných telies s f menšou ako

25 Hz

 otrasy

• otrasy s vyššou f  vibrácie

účinky akustických faktorov
• zvuk  16 Hz – 20 kHz (pod 16 Hz – infrazvuk, nad 20

kHz – ultrazvuk)

– intenzita zvuku

– hladina intenzity

• hluk – nežiadúci zvuk neperiodického charakteru

s rôznou frekvenciou, intenzitou a hlasitosťou, ktorý

vyvoláva rušivý alebo nepríjemný vnem

účinky hluku

• faktory rozhodujúce o škodlivosti hluku:

– fyzikálna charakteristika

– charakter hluku

– čas trvania

– charakter práce

poškodenie sluchu:
- akútne
- chronické

prevencia:
- technické opatrenia
- osobná ochrana

akustický úder

účinky ultrazvuku
• zdroj ultrazvuku – mechanické,
magnetostrikčné a piezoelektrické generátory

- šíri sa ako zvuk, rozdiel je v absorpcii pri prechode
rôznymi prostrediami (vyššia absorpcia v plynoch)

medicína:
• nízkofrekvenčný ultrazvuk (20-100 kHz) – chirurgia
• vysokofrekvenčný ultrazvuk (1-3 MHz) – fyzikálna terapia,

diagnostika

- interakcia ultrazvukových vĺn s organizmom závisí od ich intenzity:

– vyššia intenzita – aktívna interakcia – zmena biologického

prostredia (terapia, chirurgia, laboratórne pokusy)

– nižšia intenzita – pasívna interakcia – zmena časového a

priestorového priebehu ultrazvukovej vlny (diagnostika)

mechanizmy účinku ultrazvuku:
• ohrev
• mechanické účinky
• kavitácia

ovplyvňovanie biologických systémov:
• inhibičné účinky
• stimulačné účinky

Účinky klimatických faktorov

Klíma – súbor priemerných hodnôt klimatických

faktorov prevažne fyzikálneho charakteru (teplota,
vlhkosť a prúdenie vzduchu, elektroklíma a i.)

Účinky tepelnej energie a vlhkosti

Telesná teplota – rovnováha medzi tvorbou a výdajom

tepla

• teplota povrchu tela – kolíše v širokom rozmedzí
• teplota telesného jadra je stála → termoregulačné

mechanizmy

• termostatické centrum – v hypotalame (36,5°C)
• koža – termoreceptory, tukové tkanivo – tepelný izolátor

a regulátor

• Termoregulácia organizmu

– správanie
– zmeny metabolizmu
– fyzikálne mechanizmy

Teplota kože < teplota vzduchu → organizmus teplo prijíma
Teplota kože > teplota vzduchu → organizmus teplo vydáva
→ 4 fyzikálne mechanizmy:

Kondukcia (vedenie) –
1% z celkového tepelného výdaja org.

Konvekcia (prúdenie) – 15%

Radiácia (sálanie) – 55-65%

Evaporácia (vyparovanie) –
20 – 25% - závisí od vlhkosti vzduchu

Účinky zvýšenej teploty a vlhkosti prostredia

nízka vlhkosť - nepriaznivé účinky zvýšenej teploty

vonkajšieho prostredia znesiteľnejšie → evaporácia
(potenie), vazodilatácia, endokrinné regulačné
mechanizmy

• Prehriatie organizmu a zlyhanie

termoregulácie – tepelný úpal

• Nadmerné ožiarenie slnečným žiarením –

slnečný úpal (insolácia)

Účinky zníženej teploty a vlhkosti prostredia
Znížená teplota prostredia
→zvýšená tvorba tepla v organizme

(zrýchlenie metabolizmu, chladový
tras)

→ zníženie výdaja (vazokonstrikcia v

koži)

Dlhodobé podchladenie a telesné

vyčerpanie

• spánok → ďalšie ochladenie

organizmu

• zníženie telesnej teploty pod 25°C

ohrozenie života, pod 20°C smrť

Miestne poškodenie chladom – omrzlina

• Zmiernenie následkov – normalizácia

krvného obehu (hypertermický kúpeľ)

• Hypotermia – chirurgické zákroky,

zvýšenie činnosti štítnej žľazy,
prehĺbenie dýchania, zníženie
metabolizmu

Účinky elektroklímy

Elektroklíma – el. pole Zeme,

priestorový náboj a iné el.
polia

• Kladné ióny priestorového

náboja – dráždivé účinky,
únava, bolesti hlavy →
ťažkosti pred búrkami

• Záporné ióny – priaznivé

účinky → úľava po búrke

Počasie – okamžitý stav
súboru klimatických faktorov
nepravidelne kolísajúcich
okolo priemeru určeného klímou

Biotropné účinky počasia
– komplexné pôsobenie niekoľkých meteorologických

faktorov na reaktivitu veg. nerv. systému

– Magnetické búrky, zvýšená frekvencia erupcií na Slnku,

prechod frontov

• Následky – obehové a dýchacie ťažkosti, bolesti

v patologicky zmenených tkanivách, vplyv na psychiku

• Klimatoterapia – liečba pobytom v oblastiach

s priaznivým účinkom klímy na človeka

Účinky elektrického prúdu

• Elektrický prúd – pohyb voľného elektrického náboja
• Elektrické vodiče – pohyb voľných elektrických nábojov (e-

v kovoch, ióny v elektrolytoch, e- a ióny v plynoch)

• Dielektrické látky – elektrické náboje sú viazané na

polarizované atómy a molekuly – posúvaním a otáčaním
nábojov sa dielektrikum polarizuje → posuvný elektrický
prúd

• Jednosmerný prúd – prechádza tkanivom ako pohyb

iónov – elektrolyticky, šíri sa medzibunkovou hmotou

– polarizácia dielektrika

• Striedavý prúd – prechádza tkanivom ako posuvný prúd

– nízkofrekvenčný - membrány kladú veľký odpor
– vysokofrekvenčný - prechádza bunkovými membránami

ľahko

Elektrický prúd prechádza v organizme cestou

najmenšieho odporu - pozdĺž obalov nervových vlákien,
ciev a medzibunkovými priestormi
- Najväčšia vodivosť - likvor a krvná plazma
- Najmenšia vodivosť - kosti

• Dráždivosť – schopnosť reagovať na podnet

– Jednosmerný prúd - nemá za normálnych okolností

dráždivé účinky (iba pri náhlej zmene intenzity, pri

dosiahnutí prahovej intenzity, ktorá pôsobí určitý čas)

• Reobáza – najnižšia intenzita el. prúdu, ktorá je

potrebná na vyvolanie podráždenia

• Chronaxia – čas, ktorý je potrebný na vyvolanie

podráždenia impulzom, ktorý má veľkosť dvojnásobku

reobázy

– charakteristická pre každý sval
– Jednosmerný prúd spôsobuje zmeny podráždenia,

ktoré sú spojené aj so zmenou iónového prostredia –

elektrotonus

• v oblasti katódy – zvýšená dráždivosť motorických

nervov

• v oblasti anódy znížená dráždivosť senzorických

nervov (analgetický účinok) → elektroterapia

Dráždivé účinky - elektrostimulácia

• Defibrilátor – obnovenie srdcovej

akcie pri jej zastavení

• Kardiostimulátor – normalizácia

a obnovenie srdcového rytmu

• Neurostinulátor – dráždenie mozgu

a miechy pri Dg alebo Th

• Elektrošok – striedavý prúd vysokej

intenzity (strata vedomia,
epileptiformný kŕč všetkého svalstva
– strata pamäti) – liečba ťažkých
depresívnych stavov

účinky jednosmerného elektrického prúdu

• zmeny iónového prostredia – pohyb disociovaných iónov

(transport iónov)

• elektroforéza - pohyb nedisociovaných elektricky nabitých

makromolekúl a koloidov

• elektroosmóza - redistribúcia vody mebránovými

štruktúrami smerom ku katóde

• účinok aj na vazomotorické nervy – zvýšenie prekrvenia

svalov

Liečebné využitie jednosmerného prúdu – galvanoterapia

– ionoforéza
– galvanizácia

Ionoforéza

• vpravovanie liekov s elektrickým nábojom do

tkanív pôsobením jednosmerného el. prúdu
(kĺby, oko)

• z anódy: K+, Li+, Ca2+, acetylcholín, neomycin
• z katódy: Cl-, I-, vitamín C, penicilín

• liečba ekzémov, zápalových, reumatických,

alergických ochorení

Galvanizácia

• aplikácia jednosmerného prúdu do tkanív pomocou

elektród umiestnených vo vodnom kúpeli

• vyvoláva zvýšenie metabolizmu, hyperémiu v koži

a svaloch

• analgetický účinok (pri úrazoch, zápaloch nervov,

svalov a kĺbov, trombózach, chronických kĺbových
ochoreniach)

Účinky striedavého elektrického prúdu

• dráždivé účinky sú závislé od frekvencie

– do 100 Hz - dráždivosť sa zvyšuje so stúpajúcou

frekvenciou

– nad 100 Hz – zvýšená frekvencia znižuje dráždivý

účinok

– nad 3 kHz – dráždivý účinok sa výrazne znižuje
– pri 10 kHz – dráždivý účinok sa úplne stráca, pretože

dĺžka trvania impulzu je kratšia ako najkratšia
chronaxia

Nízkofrekvenčný striedavý prúd

• dráždivé, tepelné a čiastočne aj elektrolytické

účinky

• liečebne sa využíva v impulzoterapii – pri

rozcvičovaní zdravých a čiastočne
degenerovaných svalov,

elektrostimulácii hladkých svalov,
liečbe porúch srdca,
zastavení srdca (defibrilácia)

Vysokofrekvenčný striedavý prúd

• nad 1 MHz nemá ani dráždivé a
ani elektrolytické účinky
• dielektrický ohrev

Vysokofrekvenčná terapia –

– vysokofrekvenčný striedavý prúd + magnetické polia

+ elektromagnetické vlnenie

– hĺbkový ohrev tkanív bez priameho kontaktu a bez

absorpcie infračerveného žiarenia

– krátkovlnná diatermia (f = 27,12 MHz, λ = 11,06 m)
– ultrakrátkovlnná diatermia (f = 433,92 MHz, λ = 69 cm)
– mikrovlnná diatermia (f = 2,45 GHz, λ = 12,25 cm)

Nepriaznivé účinky elektrického prúdu

• Najnebezpečnejší prúd pri f = 50 - 60 Hz
• Pri f > 10 kHz už nie je nebezpečenstvo úrazu
• možnosť úrazu závisí od napätia a od

celkového odporu v obvode
(najnebezpečnejšie - zdroje s nízkym
vnútorným odporom)

• Najcitlivejšie – mozog, respiračné svaly

hrudníka, centrum riadiace dýchanie
a srdcovú činnosť, srdce

• Bezpečný prúd pri f do 1 kHz:

– pri striedavom prúde približne 10 mA
– pri jednosmernom 25 mA

• Pri úrazoch striedavým prúdom:

– do 25 mA – zástava dýchania
– do 80 mA – reverzibilné zastavenie srdcovej činnosti
– nad 80 mA – pribúda podiel smrteľných úrazov
– nad 1 A – smrť
– pri blesku – 104 - 106 A

Účinky magnetických polí

Magnetické polia podľa časových zmien:
• statické – intenzita sa nemení
(permanentný magnet, vodiče jednosmerného prúdu,

geomagnetické pole Zeme)

• premenné – intenzita sa mení (vodiče striedavého

elektrického prúdu)

• pulzné – vodiče elektrických impulzov

Magnetické polia podľa rozloženia magnetického poľa v

priestore:

• homogénne – vo všetkých bodoch rovnaká veľkosť a

smer

• nehomogénne – rôzna veľkosť a smer

magnetická indukcia - B

B = μ.H

•

H – intenzita magnetického poľa

•

μ – relatívna magnetická permeabilita

podľa hodnoty μ sa látky delia:
• feromagnetické – μ >> 1, (Fe, Co, Ni)
• paramagnetické – μ > 1, (O

2, Al, Pt)

• diamagnetické – μ < 1, (H

2O, NaCl, Bi)

• v ľudskom organizme - prevažne diamagnetické

a paramagnetické látky

– pri zmene orientácie a koncentrácie, hlavne diamagnetických

látok - zmena kinetiky biochemických reakcií i iných fyzikálne –
chemických procesov

Nepriame pôsobenie magnetického poľa – voľné radikály,

ktoré vznikajú v dôsledku magnetochemických reakcií

– statické polia – utlmujú metabolické procesy, znižujú dráždivosť

nervového systému

– premenné polia – stimulujú metabolické procesy, zvyšujú

dráždivosť nervového systému

Magnetické polia vysokej intenzity - zmeny reakčného času,

spomalenie sedimentácie erytrocytov, zníženie odporu

kože, poruchy inervácie srdcovo-cievneho systému –

dočasné zmeny

Využitie:
• Dg. – magnetická rezonancia
• Th. – nízkofrekvenčné – liečba zápalov periférnych

nervov, urýchlenie hojenia rán po úrazoch a operáciách
- vysokofrekvečné – premena magnetickej energie na

tepelnú – diatermia