Личный кабинет

E-Mail (логин):
Пароль:
 запомнить меня
Регистрация
Забыли пароль?
Заказ по телефону
8-800-555-7-100 (многоканальный)
Товаров:  На сумму (руб.): 

КРАТКИЙ ОТЧЕТ ОБ ЭКСПЕРИМЕНТАХ ПО ПОГЛОЩЕНИЮ ИНФРАКРАСНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ КОЖЕЙ ЖИВОТНЫХ.

 Краткий отчет об экспериментах по поглощению
инфракрасного излучения кожей животных. 
 
                Введение
 
                Состав и строение кожи.
 
Около 70 % кожи составляет вода и 30% - белки (коллаген, эластин, ретикулин), углеводы (глюкоза, гликоген, мукополисахариды), липиды, минеральные соли (натрий, магний, кальций) и ферменты. На поверхности кожи имеются складки, бороздки и валики, которые переплетаясь между собой, образуют индивидуальный рисунок Кожа неоднородна по структуре. В ней выделяют три основных слоя - подкожную жировую клетчатку, дерму и эпидермис.
Эпидермис - наружный, постоянно обновляющийся слой кожи, образован кератиноцитами. Они появляются на свет при делении зародышевых клеток базальной мембраны, расположенной на границе эпидермиса и дермы. По мере взросления кератиноцит перемещается в верхние слои. При этом в клетке синтезируется и накапливается кератин - особо прочный белок. В конце концов, кератиноцит теряет ядро и основные органеллы и превращается в плоский "мешочек", набитый кератином. Между слоями клеток имеются поперечные промежутки - трещины шириной до10 нм., глубиной до 50 мкм, заполненные гелем, образующимся при взаимодействии воды с мукополисахаридами. В эпидермисе отсутствуют кровеносные сосуды, нервные волокна проникают и образуют в глубоких слоях эпидермиса свободные нервные окончания. Толщина эпидермиса в среднем 0,05-0,2 мм, под глазами - всего 0,02 мм, а на ладонях и подошвах ног - до нескольких миллиметров.
 
Эпидермис подразделяют на 5 зон (слоев) клеток, различных по форме, величине и функциям: 1) роговой, 2) блестящий, 3) зернистый, 4) шиповатый (или шиповидный), 5) базальный.
 
Роговой слой непосредственно соприкасается с внешней средой и состоит из плоских ороговевших клеток (чешуек), тесно соединенных между собой. Структурной единицей является чешуйка, имеющая длину до 10 мкм и толщину от 0,07 до 1 мкм. Каждая чешуйка окружена однослойной липидной оболочкой (12-15 нм), заполнена кератиновыми фибрилами диаметром 7-8 нм и аморфным материалом. У взрослых на большей части тела толщина рогового слоя составляет 1/10 часть от всего поперечника эпидермиса и равняется приблизительно 13-15 мкм. Наиболее мощный роговой слой - на подошвах и ладонях, на лице он тоньше всего. Самые поверхностные роговые чешуйки постоянно отпадают - слущиваются, что имеет возрастные и сезонные различия.
 
 Блестящий слой, хорошо различимый на ладонях и подошвах, диффузно пропитан белковым веществом, который в последующем превращается в окончательный продукт ороговения - белок кератин. Толщина слоя составляет примерно (10-15 мкм).
 
В зернистом слое, расположенном над шиповатым, появляются многочисленные зерна, свидетельствуя о начавшемся процессе ороговения. Зернистый слой состоит из одного или двух слоев клеток, неспособных к делению, по большей части мертвых, но содержащих основные клеточные органеллы (толщина - несколько микрон).
 
Клетки шиповатой зоны, как и базальной, способны к размножению и вместе объединены под названием ростковых. В этой зоне имеются также блуждающие между дермой и эпидермисом "белые" клетки, участвующие в иммунологической защите организма. Основную массу клеток эпидермиса составляют клетки шиповидного слоя (толщина около 100 мкм), в основном, находящиеся в состоянии покоя.
 
Базальный слой (толщина ок. 5 мкм) состоит из клеток в функциональном отношении неоднородных. В одних активно идет синтез белка, необходимый для формирования новых клеток, другие синтезируют пигмент кожи. Нормальная окраска кожи зависит от наследственных и внешних факторов - образование пигмента стимулируется действием ультрафиолетовых лучей. Базальный слой эпидермиса состоит из живых клеточных образований, склонность которых к делению обеспечивается "принудительной" поставкой питательных веществ межклеточной жидкостью, циркулирующей в организме и представляющей собой смесь лимфы и плазмы крови, вытекающей из конечных петелек капилляров и возвращающейся в лимфатическую и кровеносную системы под влиянием сердечных сокращений. В базальном слое находятся клетки Меркеля (чувствительные клетки), структурно связанные с нервными волокнами,
 
Дерма составляет основной слой кожи. Ее толщина достигает 3 мм. Отделенная от эпидермиса пограничной зоной, она без резкой границы переходит в гиподерму (подкожную жировую клетчатку). В дерме располагаются коллагеновые нити (пучки), нервные волокна, кровеносные и лимфатические сосуды, потные и сальные железы, волосяные фолликулы и различные типы клеток, которые располагаются обычно в ее верхней части. Основную массу клеток составляют фибробласты, тучные клетки, макрофаги, меланоциты и лейкоциты. Дерму можно сравнить с матрацем, функцию пружин в котором выполняют упругие волокна белков коллагена и эластина. Пространство между "пружинами" заполнено водным гелем. Этот гель образован гликозоаминогликанами - большими полисахаридными молекулами, формирующими сетчатую структуру, в ячейках которой задерживается вода. В дерме расположены фибробласты - клетки, синтезирующие кровеносные сосуды, волосяные фолликулы, сальные и потовые железы. Потовые железы выделяют секрет (98% - вода, 2% - минеральные соли, мочевина, мочевая кислота). Сальные железы выделяют кожное сало. Железа открывается в волосяной мешочек; только на участках кожи, лишенных волос, протоки открываются на поверхность кожи. Также как и поверхность кожи, внутренние стенки таких каналов (волосяных мешочков), называемых фолликулами, состоят из ороговевших чешуек. Обычно они, как и на поверхности кожи, постоянно отшелушиваются и заменяются новыми.   
Таким образом, (см рис.1), кожа человека снаружи покрыта слоем разрушенных клеток толщиной примерно в 30 мкм, далее идет слой целых, но неживых клеток толщиной около 100 мкм (шиповатый слой), к которому прилегает слой живых клеток (5-10 мкм) с интенсивным энергообменом и током жидкости, не имеющий кровеносных сосудов и слабо иннервированный.  Ниже (рис.2.) располагаются слои дермы, богато снабженные кровеносными капиллярами, нервными окончаниями, потовыми и сальными железами, толщиной до 3 мм, к которым, без четкой границы, прилегает слой подкожной клетчатки, содержащей кровеносные сосуды, волосяные луковицы и сальные железы.
Материалы и методы.  
Инфракрасный излучатель был расположен горизонтально в помещении со слабым рассеянным освещением и температурой 20OС. ИК-излучение распространялось вертикано вверх. Периферические части излучающей поверхности стержня были экранированы алюминиевой фольгой. Центральная часть стержня-излучателя длиной в 15 cм была открыта; именно из этой области ИК-излучение попадало на образец, а потом на детектор.
В работе использовали следующие детекторы излучения:                
                - Термостолбик РТН-20С (измеряет в области от 0,4 мкм до 6 мкм).
                - Термостолбик РТН-30Г (измеряет в области от 1,8 до 14 мкм). Параметры:
                               - интегральный коэффициент преобразования 1,1 В/Вт;
                               - предел допускаемой основной погрешности 8% ;
                               - размеры приемной площадки 2,806 х 3,005 мм. 
      Усилителем сигнала детекторов служил прецизионный микровольтметр Ф-136 ( СССР).
В экспериментах исследовались свежеприготовленные образцы различных частей кожного покрова крысы (с брюшной и спинной стороны), а также образцы кожи с брюшной стороны мыши. Образцы расправлялись на отверстии, диаметром 40 мм, проделанном в плексигласовой пластине. Пластина закреплялась на высоте 20-25 см над стержнем излучателя. Термостолбик располагался непосредственно за образцом кожи окном вниз. Образцы находились под воздействием ИК-излучения непрерывно, с момента начала измерения. Окно термостолбика перекрывалось алюминиевой шторкой (с зачерненной тыльной стороной во избежания отражения на детектор рассеянной ИК-радиации) в промежутки между измерениями. Измерения пропускания ИК-радиации образцом велись до полного его высыхания до пергаментного состояния, когда переставала возрастать интенсивность проходящего лучистого потока. Температура в районе образца составляла 44-45оС, что говорит о невозможности повреждения структуры клеточных компонентов. При такой температуре испаряется только свободная вода; связанная вода остается при этом внутри белковых макромолекул и других внутриклеточных комплексов, сохраняя их нативную структуру. 
Далее из высушенного образца делалась высечка в центральной области, взвешивалась и помещалась в физраствор на 30 минут при комнатной температуре. После этого высечка подсушивалась фильтровальной бумагой и взвешивалась еще раз. По соотношению масс обезвоженной и регидратированной высечки определялся процент потери воды при высушивании образца (в таких условиях обезвоживание тканей является полностью обратимым – см. выше).
 
Образцы, которые использовались в экспериментах:
 - кожа белой мыши с брюшной стороны. Волосяной покров был удален (со всех образцов). Толщина образца 0,25-0,3 мм.
- кожа белой крысы с брюшной (образец №1) и спинной (обр. №2) стороны.
- кожа белой крысы с брюшной стороны со стенкой брюшины (обр. №3).
- №1:  Толщина 0, 5 мм. NB! Примерно соответствует по толщине коже человека на внутренней стороне предплечья (0,5-0,8 мм).
- №2: Толщина 1,3 мм.
- №3: Толщина 3 мм.
 
                Результаты
 
1) Пропускание ИК-излучения кожей мыши.  
                а) - Детектор РТН-20С.
                               - кожа мыши (свежая).
                               - расстояние образца от источника 20 см.
 
Время ИК-экспозиции                           Сигнал,
(общее, мин)                                                         мВ
                0                                                             5,7 ( I0 )
                0                                                             0,23 ( I )                                               
                1                                                             0,27
                3                                                             0,35
                5                                                             0,5
                7                                                             0,7
                9                                                             1,25
                11                                                           1,65
                14                                                           1,8
                17                                                           1,9
                20                                                           1,9
 
                Пропускание рассчитывается как отношение проходящего потока к падающему:
Т= I / I0 .
В данном эксперименте для свежего образца (0 мин) Т=0,043 (4,3%). Для того же образца высохшего (во время экспозиции к ИК-источнику), при потере воды 66% от общей массы, Т=0,33. То есть пропускание ИК- излучения увеличилось при высыхании в 7,75 раза.
Толщина образца до измерения 0,3 мм, после – 0,15 мм.
 
                б) - Детектор РТН-30Г.
                               - кожа мыши (свежая);
                               - расстояние образца от источника 25 см.
 
Время ИК-экспозиции                           Сигнал,
(общее, мин)                                                         мВ
                0                                                             5,9 ( I0 )
                0                                                             0,36 ( I )                                               
                1                                                             0,54
                3                                                             0,8
                5                                                             0,95
                7                                                            1,0
                10                                                           1,0
               
Для свежего образца: Т=0,12. Для высохшего образца: Т=0,34. Пропускание при высыхании возросло в 2,8 раза. Потеря воды составила 67%.
                Толщина образца до высыхания составила 0,2 мм, после – 0,05-0,1 мм.
 
2) Пропускание ИК-излучения кожей крысы.
                а) - Детектор РТН-20С;
                               - Образец №3 (самая толстая кожа, толщина 3 мм):
                               - расстояние образца от источника 20 см.
                Пропускание свежего (без высушивания) образца Т ≈ 0,0003 (на грани чувствительности прибора + погрешность теплового загрязнения). То есть практически ноль. Высушивание образца не проводилось.
 
                б) – Детектор РТН-20С;
                               - Образец №1. Свежая кожа крысы, толщина 0,5 мм.
                               - расстояние образца от источника 20 см.
 
Время ИК-экспозиции                           Сигнал,
(общее, мин)                                                         мВ
                0                                                             5,7 ( I0 )
                0                                                             0,1 ( I )                                                 
                2                                                             0,16
                4                                                             0,22
                6                                                             0,26
                9                                                             0,34
                12                                                           0,48
                15                                                           0,66
                19                                                           0,68
                24                                                           0,7
                28                                                           0,71
 
Начальное пропускание Т= 0,0175; после высыхания образца Т= 0,125. Пропускание увеличилось в процессе высыхания в 7,1 раза. Толщина образца после высыхания – 0,25-0,3 мм. Потеря воды при высыхании составила 55%.
 
                в) - Детектор РТН-30Г.
                               - Образец №1 (другая проба). Свежая кожа крысы, толщина 0,5 мм.
                               - расстояние образца от источника 20 см.
 
Время ИК-экспозиции                           Сигнал,
(общее, мин)                                                         мВ
                0                                                             4,35 ( I0 )
                0                                                             0,05 ( I )                                               
                3                                                             0,07
                6                                                             0,09
                9                                                             0,13
                12                                                           0,145
                16                                                           0,155
                20                                                           0,165
                24                                                           0,19
                29                                                           0,34
                34                                                           0,38
                39                                                           0,38
 
Начальное пропускание Т= 0,0115. После высыхания образца Т= 0,087. Пропускание увеличилось в процессе высыхания в 7,6 раза. Толщина образца после высыхания ~ 0,3 мм. Потеря воды при высыхании составила, соответственно, 54,5%, что совпадает с предыдущим экспериментом.
 
                в) - Детектор РТН-30Г;
- Образец №2. Свежая кожа крысы, толщина 1,3 мм.
- расстояние образца от источника 25 см.
 
Время ИК-экспозиции                           Сигнал,
(общее, мин)                                                         мВ
                0                                                             2,95 ( I0 )
                0                                                             0,001 ( I )                                                             
                5                                                             0,001
                10                                                           0,0012
                15                                                           0,0015
                20                                                           0,0015
                25                                                           0,002
                32                                                           0,0025
                39                                                           0,003
                46                                                           0,005
                53                                                           0,0055
                61                                                           0,007
                71                                                           0,008
                81                                                           0,011
                96                                                           0,015
                121                                                         0,02
 
Начальное пропускание: Т=0,00034, т.е. почти ноль. Высохшая кожа (время высыхания 2 часа): Т=0,0068. Т.е. пропускание при высыхании выросло в 20 раз. Толщина образца после высыхания составила 0,5 мм (уменьшилась в 2,6 раза). Потеря воды при высыхании составила 62,7%.
 
Выводы.
                1) Поглощение ИК-излучения биологическими тканями (модель кожи человека) обеспечивается в основном содержащейся в них водой, особенно для тонких образцов кожи (толщина 0,2-0,5 мм)
                2) Через слой свежей кожи толщиной 0,5 мм проходит не более 1-2% ИК-излучения.
                3) Образцы свежей кожи толщиной более 1 мм поглощают практически 100% ИК-излучения. Полное высыхание образца кожи до пергаментного состояния приводит к увеличению его пропускания до 7%. Остальная часть ИК-излучения (93%) поглощается, очевидно, связанной водой в составе внутриклеточных структур, а также самими органическими соединениями, входящими в состав биологических тканей (белками, липидами, углеводами, нуклеотидами и т.п.).
4) Предположительно, прямое ИК-излучение проникает не глубже верхних слоев дермы, где содержатся сальные, потовые железы и кровеносные капилляры (рис.1). На волосяные луковицы, кровеносные сосуды, подкожную жировую клетчатку и мышечный слой непосредственное влияние ИК-излучения маловероятно.
5) Основной поток ИК-излучения (70-80%) поглощается в верхних слоях эпидермиса, включая шиповидный слой, не оказывая, таким образом, прямого воздействия на живые клетки кожи.  Поглощенная энергия может передаваться нижележащим слоям живых клеток эпидермиса и верхним слоям дермы путем теплообмена, приводя к их нагреванию. Именно этот процесс должен лежать в основе физиологического ответа организма на прямое воздействие инфракрасной радиации, испускаемой излучателем данного типа (с температурой тела накала около 4000С). 
 
               
 
                Старший преподаватель
                Кафедры физиологии
                человека и животных                                                                                           М.Л.Ловать
 
 
 
 
                Научный сотрудник
                Кафедры физико-химической биологии                                                              К.В.Неверов