Природничі науки. 1 частина. 11 клас. Гільберг

Цей підручник можна завантажити у PDF форматі на сайті тут.

Як ми бачимо? Чуємо? Відчуваємо смак, запах, біль?

Ми живемо у світі, межі якого визначені можливостями наших органів чуття. Адже людині дано чути не всі звуки, що є в природі, недоступні для нашого сприйняття й деякі запахи та світлові промені. Сенсорні системи людини сформувалися в процесі філогенезу.

У ході еволюції органи чуття істот поступово диференціювалися, тобто відокремлювалися від інших тканин тіла й формували особливі області. Наприклад, є тварини, у яких рецепторами світла є клітини, що здатні розрізняти лише світло й темряву. Ці клітини можуть бути розпорошені по всій шкірі або групуватися, що, можливо, у процесі еволюції послугувало утворенню справжнього ока, що створює зображення.

Усюди у тваринному світі в основі сприйняття світла лежить той самий процес: у рецепторах за допомогою хімічної реакції енергія світла трансформується в електричну. Ефективність роботи досягається за допомогою різних допоміжних пристроїв: кришталика, райдужки, зіниці, м’язів. Центральний процес — сприйняття світла — здійснюється високоспеціалізованими клітинами — фоторецепторами.

У ході еволюції утворилися дистанційні рецептори, які сприймають подразники на відстані (нюховий, слуховий, зоровий). Організми з дистанційними рецепторами легше пристосовуються до змін навколишнього середовища.

Подальший розвиток рецепторних ділянок аналізаторів пов’язаний з появою допоміжних структур, що підсилюють дію відповідного подразника й обмежують дію інших. Наприклад, слухові клітини внутрішнього вуха сприймають звуки. Допоміжні структури: вушна раковина, барабанна перетинка, слухові кісточки — підсилюють звукові коливання й забезпечують сприйняття тільки звукових подразників.

Смаковий і нюховий аналізатори належать до хімічних рецепторів. Імовірно, вони утворилися раніше від інших органів чуття, оскільки важливі для пошуку їжі, партнера, спілкування між особинами. Ці органи досягли великої досконалості у своєму розвитку: вони здатні сприймати навіть незначні подразнення. Наприклад, нюхові рецептори збуджуються під дією однієї молекули пахучої речовини.

Нюх у житті людини відіграє набагато меншу роль, ніж у тварин. Однак у парфумерів, дегустаторів і людей, які втратили зір і слух, нюх розвивається й стає дуже гострим.

Системи організму, що забезпечують сприйняття й перероблення інформації про зміни довкілля та стан внутрішнього середовища організму, називають сенсорними. У сенсорній системі розрізняють три відділи: периферичний, провідниковий і центральний (мал. 7.6).

Периферичний відділ складається з рецепторів, які сприймають певний вид подразнення. Ці рецептори є складниками відповідного органа чуття або розташовані в тканинах. Провідниковий відділ утворюють чутливі нерви, які відходять від рецепторів, і ядра стовбура мозку. Ними нервові імпульси передаються до центрального відділу сенсорної системи.

Мал. 7.6. Будова сенсорної системи

Центральний відділ — це певні ділянки центральної нервової системи (кори та підкіркових центрів головного мозку), де аналізуються подразнення й формуються відчуття. У цьому відділі також формується відповідь на подразнення, які надходять від рецепторів.

Загальний принцип дії сенсорних систем схематично зображено на малюнку 7.7.

Мал. 7.7. Загальний принцип дії сенсорних систем

Рецептори бувають зовнішні та внутрішні:

1) зовнішні рецептори, або екстерорецепції, — сприймають інформацію з навколишнього середовища. Це такі види рецепторів, як слуховий, зоровий, смаковий, дотиковий;
2) внутрішні рецептори, або інтерорецептори, — сприймають інформацію від внутрішніх органів. Це рецептори внутрішніх органів і опорно-рухового апарату.

Рецептори спеціалізуються на сприйнятті певного виду подразнень і формуванні специфічних відчуттів. За дією розрізняють такі рецептори:

хеморецептори — клітини, здатні розпізнавати певні хімічні речовини або їхні концентрації. Це смакові й нюхові рецептори, рецептори гіпоталамуса й судин, що реагують на pH, концентрацію глюкози в плазмі крові тощо;
механорецептори — сприймають механічний тиск. Розташовані в шкірі, ротовій порожнині, судинах і порожнистих органах, м’язах і суглобах. Рецепторні клітини органу слуху також є механорецепторами;
фоторецептори — сприймають світло певної інтенсивності й довжини хвиль (кольору). Це — рецептори сітківки ока;
терморецептори — клітини, що реагують на температуру. Містяться в шкірі (теплові та холодові), гіпоталамусі, деяких судинах кровоносної системи.

Для всіх типів рецепторів характерне явище адаптації, тобто пристосування до тривалої дії подразника.

Рецептори (окрім больового) під дією тривалих вправ здатні підвищувати свої можливості, тобто здатні тренуватися.

Для сенсорних систем характерна взаємодія. Блокування однієї із сенсорних систем впливає на функцію інших. Наприклад, у сліпих поліпшуються слух і дотикова чутливість.

Сенсорні системи підрозділяють на зовнішні й внутрішні. Зовнішні сенсорні системи забезпечені екстерорецепторами, внутрішні сенсорні системи — інтерорецепторами. У звичайних умовах організм зазнає постійного комплексного впливу, і сенсорні системи працюють у постійній взаємодії.

У людини п’ять основних сенсорних систем: зорова, слухова, смакова, нюхова та дотикова (тактильна), за допомогою яких вона переважно сприймає довкілля. Також людина відчуває температуру, гравітацію, зміну положення тіла в просторі, біль, спрагу, голод і низку змішаних відчуттів.

Інші сенсорні системи: больова, вестибулярна, м’язова, вісцеральна, мовно-слухова, мовно-рухова.

Пригадаймо, що нам відомо про будову й функції сенсорних систем.

Зорова система (мал. 7.8).

У зорової сенсорної системи три складові: 1) периферична, яка складається з власне рецепторного апарату (палички й колбочки сітківки ока); 2) провідникова, що складається із чутливого зорового нерва, зорового тракту, що міститься в головному мозку, — таламуса; 3) центральна, яка розташована в потиличних ділянках кори головного мозку.

Зорова сенсорна система складається з трьох функціональних частин:

1) світлопровідної й заломлювальної частини ока;
2) рухового апарату ока;
3) власної сенсорної частини, складниками якої є рецепторний, провідниковий і корковий відділи, що забезпечують сприйняття й аналіз світлових сигналів.

Подразником для зорової системи є світло. Око людини сприймає світлові промені частотою від 4 • 10¹⁴ до 7 • 10¹⁴ Гц; довжина хвиль, відповідно, становить від 400 до 700 нм (1 нм = 10 ⁹ м).

Мал. 7.8. Зорова система

Очне яблуко розташоване в заглибині черепа — очній ямці. Воно вкрите трьома оболонками.

Зовнішня оболонка — білкова — складається переважно з колагенових волокон й оберігає око від механічних ушкоджень. Спереду вона переходить у прозору рогівку. Під білковою розташована судинна оболонка, пронизана густою сіткою кровоносних судин. Спереду судинна оболонка переходить у райдужку, пігменти якої визначають колір очей. У центрі райдужки є отвір — зіниця. Діаметр зіниці змінюється рефлекторно залежно від яскравості освітлення. За зіницею розташований кришталик — прозора двоопукла лінза діаметром близько 9 мм. Внутрішня оболонка — сітківка — вистеляє дно очного яблука. Сітківка містить фоторецепторні клітини, які сприймають світло, і нейрони, які переводять світловий сигнал в електричні імпульси та формують зоровий нерв. Місце виходу із сітківки зорового нерва називають сліпою плямою, оскільки ця ділянка не містить фоторецепторних клітин. На відстані 4 мм від неї є жовта пляма — місце найліпшого зору. Порожнина ока заповнена желеподібною масою — склистим тілом.

Рецептори сітківки — палички й колбочки — відрізняються як за будовою, так і за функціями. З колбочками пов’язаний денний зір, а з паличками — сутінковий. У паличках міститься речовина червоного кольору — родопсин. На світлі, у результаті фотохімічної реакції, він розпадається, а в темряві відновлюється протягом 30 хвилин із продуктів власного розщеплення. Ось чому людина, увійшовши в темну кімнату, спочатку нічого не бачить, а через деякий час починає розрізняти предмети. У колбочках міститься інша світлочутлива речовина — іодопсін. Він розпадається в темряві й відновлюється на світлі протягом 3-5 хвилин. Розщеплення іодопсіну на світлі забезпечує сприйняття кольорів.

З двох рецепторів сітківки до кольору чутливі тільки колбочки, яких у сітківці три види: одні сприймають червоний колір, інші — зелений, треті — синій. Залежно від ступеня збудження колбочок і поєднання подразнень людина сприймає кольори та їхні відтінки.

Слізний апарат, окорухові м’язи, повіки та вії — допоміжний апарат ока. Функції зорової сенсорної системи:

розрізнення світла й темряви;
визначення кольору предметів і явищ навколишнього світу;
оцінювання інтенсивності світла й кольору;
оцінювання віддаленості видимих предметів;
оцінювання об’ємності й глибини розташування предметів;
оцінювання місця розташування джерела світла;
формування відчуттів, уявлень, образів.
У жінок бічний (периферичний) зір ліпший, ніж у чоловіків.
Око людини може розрізняти до 500 відтінків сірого кольору.
У кожної людини райдужка ока індивідуальна, а тому її можна використовувати разом з відбитками пальців для ідентифікації.
Повіки під час чхання автоматично закриваються, ця рефлекторна властивість допомагає уникнути розриву очних капілярів.
Повну пересадку ока зробити неможливо, оскільки відновити зоровий нерв і закінчення, пов’язані з мозком, лікарям наразі не під силу.
Частка людей на планеті, у яких колір райдужки правого й лівого ока різні, становить 1 %.
На верхній і нижній повіках людини — 150 вій.
За 12 годин загальний час кліпання повіками становить 25 хвилин.
Рідше трапляються люди із зеленим кольором очей, частка таких становить лише 2 % населення Землі.

Слухова система (мал. 7.9).

Вухо здатне сприймати звуки в діапазоні від 16 Гц до 20 000 Гц (коливання, частота яких менша від 16 Гц, називають інфразвуком, а коливання із частотами, більшими за 20 000 Гц, — ультразвуком).

У периферичній частині слухової системи виокремлюють зовнішнє, середнє та внутрішнє вухо. Зовнішнє вухо збирає звук, який потім потрапляє в слуховий прохід до барабанної перетинки. Середнє вухо — це повітроносні порожнини, які з’єднуються з носоглоткою. Внутрішнє вухо — розташоване в скроневій кістці і є складною системою кісткових каналів. Механорецепторами, що сприймають звук у внутрішньому вусі, є волоскові клітини.

Людина здатна сприймати частоту, гучність і напрямок надходження звукової хвилі; кожну із цих характеристик оцінює головний мозок на основі різних механізмів. Поріг чутності має дві ділянки на частотах 4000 Гц і 16 000 Гц, де людське вухо чутливіше (до речі, саме на частоті 16 000 Гц пищить комар.)

Мал. 7.9. Слухова система

Функція слухової системи полягає у формуванні слухових відчуттів людини у відповідь на дію звукових хвиль, тобто коливань молекул газів повітря (пружного середовища).

Євстахієва труба оберігає барабанну перетинку від руйнування внаслідок різкого падіння або підвищення зовнішнього тиску, наприклад, у горах, літаку, під час пірнання.
Вуха ростуть протягом усього життя людини.
Коли людині потрібно почути іншого через сторонній шум, наприклад музику, вона зазвичай повертається до співрозмовника правим вухом.
У борців і регбістів вухо часто нагадує цвітну капусту, оскільки його хрящ постійно пошкоджується, і в нього немає кісток для відновлення.
Вуха — самоочисний орган. Пори виробляють усередині вушну сірку, а дрібні війки виштовхують її з вуха.
Музичний слух краще розвинений у тих народів, у яких мова більш мелодійна.
Найчутливіший слух — у дитячому віці. Під час народження людина може чути від 20 Гц до 20 000 Гц, з віком верхній поріг зменшується до 15 000 Гц.

Нюхова система (мал. 7.10).

Ніс — важливий елемент тіла людини, бо відповідає відразу за дві основні функції — нюх і дихання.

Ніс має кілька складників:

1) зовнішній ніс — складається з хрящів, кісток і шкіри, що їх укриває;
2) порожнина носа. Її стінки вистелені маленькими віями, які не дають дрібному сміттю й пилу проникнути в носовий прохід. У верхній частині порожнини носа міститься нюховий центр;
3) придаткові пазухи містять повітроносні порожнини. Є чотири пари навколоносових пазух.

Мал. 7.10. Нюхова система

Основні функції носа:

дихання;
очищення вдихуваного повітря від пилу та сміття;
зволоження й зігрівання вдихуваного повітря;
захисна функція, здійснювана дрібними віями на слизовій носа;
нюх і відчуття запахів;
формування висоти й тембру голосу;
придаткові пазухи сприяють зволоженню слизової оболонки носа, поліпшують дихальну функцію носа, виконують резонаторну функцію.
Ніс росте протягом усього життя, так само, як вуха.
3 рефлексом чхання людина народжується й стиль його схожий на батьківський.
Відомо близько 14 форм носа, найпоширеніший з яких — м’ясистий.
Однією з ознак старіння є звисання кінчика носа донизу за рахунок розпаду колагену й постійної дії сили тяжіння.
Найулюбленіші запахи людини — це аромат свіжоспеченого хліба, кави й свіжоскошеної трави. Часто в магазинах повітря спеціально одорують — якщо воно пахне кавою та свіжим хлібом, люди купують товари більш спонтанно й охоче.
Відомо, що пам’ять загострюється внаслідок переживання сильних емоцій. Запахи тісно пов’язані з подіями, що викликають ці емоції.
У людей близько 12 мільйонів нюхових рецепторів, їхня кількість із віком зменшується, і літні люди гірше розрізняють запахи.

Смакова система (мал. 7.11).

Важко уявити життя без смакових рецепторів, адже навколо стільки смакоти! Смак — це відчуття, що виникає в результаті впливу якої-небудь речовини на рецептори, розташовані на поверхні язика й у слизовій оболонці ротової порожнини. Біологічне значення смакової сенсорної системи полягає в апробації смакових якостей їжі, після чого формуються смакові відчуття, відбувається розпізнавання харчових речовин та їхнє диференціювання на їстівні й неїстівні.

Мал. 7.11. Смакова система

Язик можна розділити на три частини — тіло, корінь і верхівку. Увесь язик укритий епітелієм і сосочками. Слинні залози розташовані на верхівці язика та по його краях. Відчуття смаку здатні проводити нерви.

Функції:

чутлива — сприяє сприйняттю смаку, болю й тепла;
захисна — слизова оболонка язика перешкоджає проникності вірусів і бактерій;
усмоктувальна — забезпечує введення препаратів для швидкого засвоєння через ротову порожнину;
пластична — дає змогу епітелію швидко оновитися, якщо тканини пошкоджені.
На язику розташовані грибоподібні сосочки, кожний з яких містить від 50 до 100 смакових рецепторів.
Від 15 % до 25 % людей на Землі мають «суперсмак». У них смакових рецепторів на сосочках більше, ніж в інших.
Смак їжі залежить не лише від смакової, а й багато в чому від нюхової системи організму.
У Західній Африці росте незвичайна рослина — магічний фрукт (Synsepalum dulcificum). Людині, яка з’їла кілька плодів цієї рослини, кислі продукти кілька годин здаватимуться солодкими, а солодкі — зовсім позбавленими смаку. «Обманювати» смакові рецептори людини цій рослині допомагає білок міракулін.
Під час польоту на літаку чутливість до солоних і солодких страв знижується через високий рівень шуму, проте їжа здається хрусткішою.
Смакові сосочки живуть близько 7-10 діб, після чого замінюються новими, тому смак, який ви відчували сьогодні, може відрізнятися від того, який був двома тижнями раніше.
Гострі спеції, додані вами в страви, стимулюють не смакові рецептори, а больові, які з’єднуються з нервами.
Язик людини здатний відчувати цукор у воді в пропорції 1:200.

Тактильна система (мал. 7.12).

Дотик — складне відчуття, яке виникає під час подразнення рецепторів шкіри, зовнішніх поверхонь слизових оболонок та м’язово-суглобового апарату. Зовнішні механічні, температурні, хімічні та інші подразники сприймає передусім шкірний аналізатор.

Мал. 7.12. Тактильна система

Шкіра складається з трьох основних шарів. Епідерміс — зовнішній шар шкіри різної товщини. Клітини епідермісу постійно оновлюються, а на шкірі залишається його ороговілий шар, який перешкоджає проникненню пилу та шкідливих речовин у шкірний покрив. Між клітинами епідермісу розташовані кераміди, жирні кислоти й холестерол, нестача яких призводить до лущення шкіри. В епідермісі є клітини, що відповідають за пігментацію, лімфоцити та клітини імунної системи.

Дерма — складається з волокон еластину й колагену, які впливають на пружність шкіри та її зовнішній вигляд. Колагенові волокна вбирають вологу, що надходить із кров’ю. Дерма живить епідерміс корисними речовинами, оскільки він позбавлений кровопостачання. У дермі розташовані потові й сальні залози, корені волосся, нервові закінчення та судини.

Під дермою лежить підшкірно-жирова клітковина (гіподерма), яка складається з жирових клітин і сполучної тканини. Вона виконує функцію терморегуляції, накопичення енергії, захищає внутрішні органи від ударів. У чоловіків і жінок кількість підшкірно-жирової клітковини не однакова. Якщо поживних речовин бракує, організм починає розщеплювати жирові клітини.

Придатками шкіри вважають волосся, нігті та шкірні залози. Завдяки великій кількості нервових закінчень шкіри людина здатна сприймати за допомогою тактильних дотиків.

Рецептори шкіри, які є складниками нервових волокон епідермісу й дерми, забезпечують зв’язок людини із зовнішнім середовищем.

Функції:

рецепторна (дотик) — допомагає людині розрізняти предмети, їх температуру й форму завдяки нервовим закінченням;
терморегуляторна — випромінювання тепла та виділення поту;
захисна — захищає організм від потрапляння хімічних і механічних речовин, випромінювання й мікробів;
видільна — виводить з потом продукти обміну й солі;
бере участь у водно-сольовому обміні;
сприяє поглинанню кисню й виділення вуглекислого газу.
Перше відчуття новонародженої дитини — дотик.
Якщо сліпі від народження люди почнуть бачити, вони не зможуть відразу впізнати предмети, яких торкалися раніше, лише поглядом, без дотику.
Рецептори, що відповідають за дотик, розташовані не лише в шкірі, а й у м’язах, слизових оболонках і деяких суглобах.
Якщо дітям, у яких є розлади психіки, розтирати спину, їхнє сприйняття навколишнього середовища поліпшиться.
Якщо злегка торкнутися кистей рук людини, її артеріальний тиск трохи зменшиться і серцевий ритм уповільниться.
Маса шкіри становить близько 15 % загальної маси людини.
Якщо недоношену дитину щодня гладити, ніжно торкатися, вона набиратиме масу на 55 % швидше, ніж діти, яких не чіпали.
Шкіра щоденно виводить воду об’ємом близько 600 мл.
Найтонша шкіра — 0,5 мм — на скронях і барабанній перетинці, а найтовша — 0,5 см — на ступнях ніг.