Исследование влияния физической и умственной нагрузки на функционирование организма

Краевое государственное автономное общеобразовательное учреждение «Краевая школа-интернат по работе с одаренными детьми»

«Школа космонавтики»

Исследование влияния физической и умственной нагрузки на функционирование организма

Автор: Зверева Александра

10 биолого-химический  класс

Школа космонавтики

Руководитель:

учитель химии

Школа космонавтики

Научный руководитель:

СФУ ИФБиБТ, научный сотрудник

лаборатории биолюминесцентных

биотехнологий СФУ

г. Железногорск 2017 г.

Содержание:

Введение Обзор литературы 2.1. Биолюминесценция 2.2 История развития утомления 2.3. Биохимические изменения в организме при выполнении физических  и умственных нагрузок Глава №3 Экспериментальные методы исследования Методы исследования Влияние различных проб слюны на биолюминесценцию Результаты выявления влияния различных проб слюны на биолюминесценцию Экспериментальные результаты и их обсуждение Выводы Заключение Список литературы

1. Введение

Утомление – сложный процесс, затрагивающий все уровни деятельности организма (молекулярный, субклеточный, клеточный, органный, системный, целостного организма) и проявляющийся в совокупности изменений, связанных со сдвигами гомеостаза, регулирующих, вегетативных и исполнительных систем, развитием чувства усталости, временным снижением работоспособности и ее эффективности.

Биологическое значение утомления состоит в том, что оно «приводит к возникновению торможения в центральной нервной системе (первично или вторично) и обеспечивает защиту последней и всего организма от перенапряжения и истощения.

Физиологическое значение утомления заключается в том, что в связи с тренировкой появляется устойчивость к утомлению. Утомление является ведущим механизмом адаптации благодаря мобилизации резервных возможностей. Изменения, происходящие во время утомления являются своеобразными стимулами для формирования функциональных и конструктивных трансформаций в организме, составляющих суть развития тренированности (адаптированности).

Гипотеза: При помощи данного метода мы сможем выявить влияние физических  и умственных нагрузок на функционирование организма подростка.

Объект нашего исследования: Образцы слюны учащихся 8-11 класса

Предмет исследования: действие исследуемых объектов на реакцию биолюминесцентную реагента «Энзимолюм».

       Цель исследования: Выявление степени влияния физической и умственной нагрузки на функционирование организма подростка методом биолюминесцентного ферментативного анализа.

Задачи:

1. Изучить теоретический материал, о биолюминесцентном методе тестирования.

2. Изучить теоретический материал о понятиях и свойствах утомления

3. Взять пробы слюны у учащихся 8-11 классов после нагрузок и сна.

4. Исследовать влияние проб слюны на биолюминесцентную реакцию реагента «Энзимолюм».

Методы:

Теоретические (Работа с информационными источниками) Эмпирические (Эксперимент, Измерение, Анализ) иммобилизованная биферментная система - реагент Энзимолюм.

  Практическая значимость:

Данным методом можно определить степень влияния физических и умственных нагрузок на утомляемость организма и на его функционирование. Следовательно можно будет в дальнейшем изучить способы

       Выражаем благодарность Федеральному государственному автономному образовательному учреждению высшего профессионального образования «Сибирский Федеральный Университет», Институту Фундаментальной Биологии и Биотехнологии и лично , , .. за помощь в работе.

2. Обзор литературы

2.1. Биолюминесценция [1]

Биолюминесценция – это свет, выделяемый живыми организмами в результате их биохимической (ферментной) активности. Термин также относится к тем реакциям, которые производятся с экстрактами ферментов в пробирке.

Фермент, вовлеченный в образование бактериологической биолюминесценции называется люцифераза. Реакция, катализатором для которой служит этот фермент, включает окисление длинноцепочечного альдегида и коэнзима, флавинмононуклеотида (FMNH2) согласно следующей формуле реакции:

NaOH+EMN=>NADH+FMNH2

FMNH2 + O2 +R-CO-H => FMN + R-COOH + H2O + СВЕТ

Вмешательство в любую часть метаболизма клетки, которое влияет на выделение любого компонента, будет немедленно отмечено благодаря уменьшению светового излучения. Токсины, влияющие на экспрессию генов или специальные реакции, катализаторами для которых служат ферменты, таким образом, будут обнаружены.

Биотесты, основанные на использовании ферментативных реакций светящихся бактерий [1]

Люциферазы разных видов светящихся бактерий катализируют одну и ту же реакцию:

  люцифераза

FMN*H2  + RCHO  +  O2 ---------->  FMN  +  RCOOH  +  H2O  +  hн,

где FMN и FMN*H2 – окисленная и восстановленная форма флавинмононуклеотида, RCOH и  RCOOH – длинноцепочечный алифатический альдегид и соответствующая жирная кислота.

Считается, что в бактериях реакция, катализируемая люциферазой, сопряжена со второй ферментативной реакцией, катализируемой NADH:FMN-оксидоредуктазой: 

  оксидоредуктаза

FMN  +  NAD(Р)H  +  H -------------> FMN*H2  +  NAD(Р)+ ,

где NAD(P)H и NAD(P)+– окисленная и восстановленная форма никотинамидадениндинуклеотида.

Иммобилизированные ферменты, реагент «Энзимолюм»

Для решения аналитических задач в биолюминесцентном анализе широко используются светящиеся бактерии и выделенные из них ферменты, в том числе бактериальная биферментная система NADН:FMN-оксидоредуктаза-люцифераза. Биферментная система светящихся бактерий представляет собой реакцию,

катализируемую двумя ферментами, NADН:FMN-оксидоредуктазой и люциферазой, где одним из продуктов реакции является свет. Однако использование ферментов светящихся бактерий осложняется их неустойчивостью при различных воздействиях: повышенных температурах, экстремальных значениях рН и т. д. Иммобилизация ферментов позволяет получать стабильные препараты ферментов, удобные для проведения биолюминесцентного анализа. При иммобилизации люциферазы в гели возможно получение стабильного, удобного в использовании и дозированного реагента, включающего все необходимые компоненты для биолюминесцентных ферментативных биотестов. Для этого был подобран температурный режим высушивания препаратов иммобилизованных ферментов. Показано, что для обеспечения максимальной активности препаратов ферментов, их высушивание должно осуществляться в течение 12 часов при температуре 40С.

Кроме того, были изучены кинетические характеристики биферментной системы светящихся бактерий NADН:FMN – оксидоредуктаза и люцифераза при совместной иммобилизации ферментов и субстратов в полимерный крахмальный гель. Было показано, что при использовании крахмального геля, в качестве матрицы, стабилизирующей систему, достигается максимальная активность (100% выход активности иммобилизованных ферментов). По сравнению с растворимыми ферментами наблюдается увеличение константы Михаэлиса, повышается устойчивость биферментной системы NADН:FMN – оксидоредуктаза – люцифераза к химическим и физическим факторам среды: рН – оптимум расширяется как в кислую, так и щелочную области, сохраняется высокая активность при увеличении концентраций солей, повышается термостабильность. Наибольшей термостабильностью отличается иммобилизованная в крахмальный гель биферментная система, для которой энергия активации составляет 30 кДж/моль. На основе данных исследований был разработан реагент «Энзимолюм».

Биолюминесцентные биотесты для мониторинга окружающей среды

В экологическом мониторинге из биолюминесцентных систем долгое время использовался только интегральный тест на светящихся бактериях. Вместе с тем в литературе имелось достаточно большое количество данных, убедительно демонстрирующих высокую чувствительность люциферазных реакций к действию токсических веществ. При этом сравнение их влияния на биолюминесценцию in vivo и in vitro показывает существование зависимости между степенью токсичности в анализируемом образце и изменением параметров свечения обеих биолюминесцентных систем, но чувствительность систем in vitro была часто выше в 100-1000 раз. Кроме того, все изменения, происходящие в организме под действием поллютантов, начинаются на молекулярном уровне, поэтому использование в качестве тест-объектов ферментов, отвечающих за один из параметров жизнедеятельности светящихся бактерий – светоизлучение - кажется закономерным.

Были разработаны[1] интегральные Биолюминесцентные методы in vivo и in vitro для непрерывного экспресс-контроля состояния окружающей среды промышленных районов и природно-хозяйственных комплексов, для контроля залповых вредных выбросов предприятий, для оценки эффективности детоксикации сточных вод и работы очистных сооружений, а также для оценки экологической опасности предприятий и отдельных районов.

2.2. История развития утомления

Любая производственная деятельность человека сопровождается мобилизацией функциональных резервов, разной степени выраженности —от весьма слабой (легкая работа) до предельной, характеризующей истощающую рабочую нагрузку.

Понятие и биологическое значение утомления

Утомление – сложный процесс, затрагивающий все уровни деятельности организма (молекулярный, субклеточный, клеточный, органный, системный, целостного организма) и проявляющийся в совокупности изменений, связанных со сдвигами гомеостаза, регулирующих, вегетативных и исполнительных систем, развитием чувства усталости, временным снижением работоспособности и ее эффективности.

Биологическое значение утомления состоит в том, что оно «приводит к возникновению торможения в центральной нервной системе (первично или вторично) и обеспечивает защиту последней и всего организма от перенапряжения и истощения.

Физиологическое значение утомления заключается в том, что в связи с тренировкой появляется устойчивость к утомлению. Утомление является ведущим механизмом адаптации благодаря мобилизации резервных возможностей. Изменения, происходящие во время утомления являются своеобразными стимулами для формирования функциональных и конструктивных трансформаций в организме, составляющих суть развития тренированности (адаптированности).

В развитии утомления можно выделить две фазы:

Первая фаза—преодолеваемое, или скрытое утомление, когда работоспособность еще может поддерживаться на прежнем и даже высоком уровне, благодаря усилению коркового возбуждения, несмотря на выраженную уже дискоординацию вегетативных функций и снижение коэффициента полезного действия организма.

Вторая фаза — непреодолимое, иначе «явное» утомление, когда внешний эффект работы заметно снижается, или работа вынужденно прекращается, несмотря на все усилия работающего. В этой фазе непреодолимо развиваются явления охранительного торможения в центральной нервной системе, приводящие к вынужденному прекращению работы.

Первую попытку подойти к решению проблемы утомления обычно приписывают Галилею, который столкнулся с эти явлением при анализе механики работы мышц. По мере развития физиологической науки ряд исследователей, особенно в ХVIIIв. и первой половине ХIХ века, затрагивали проблему утомления (Галлер, Витт, Прохаска и др.), но работы эти были все же лишь эпизодическими.

Систематические исследования физиологов в данной области развернулись в основном с середины прошлого века. При этом сразу же обрисовались вначале гуморально-локалистическое, затем центрально-нервное направления. Первое из них было длительное время господствующим.

Гуморально-локалистические теории мышечного утомления:

1) причиной утомления являются образующиеся в ходе работы продукты обмена;

2) точкой приложения их вредного действия являются сами мыщцы, или (согласно «усовершенствованным» позднее представлениям) мионевральные соединения, т. е. точка передачи импульсов с периферического нерва на мышцу.

Основное развитие в зарубежной физиологии получила теория о роли молочной кислоты.

Обоснование идей нервизма в теории утомления. Со времени начала исследований проблемы утомления в опытах на человеке стали возникать представления о роли в этом процессе нервной системы. Основоположником этих представлений считают иногда Моссо. Так, в исследованиях, обобщенных в его монографии «Усталость», Моссо, с одной стороны, показал, что при усталости, вызванной умственной работой, значительно снижается мышечная работоспособность. С другой стороны, он отмечал, что «недостаток силы в движениях усталого человека, как и у лягушки, зависит от того, что работающая мышца производит вредные вещества, затрудняющие сам акт сокращения».

Таким образом, еще до работы , специально посвященной проблеме утомления и отдыха, руководящие идеи его физиологической концепции, воспринятые его учениками, привели к накоплению в отечественной литературе ряда работ, послуживших предпосылкой для обоснования взгляда о центрально-нервной природе мышечного утомления.

        и следует считать основоположником этой теории. Первое направление, развитое и , говорит о большой роли процессов центрального торможения в механизме утомления при мышечной работе. Торможение наступает вследствие:

1) затухания доминанты,

2) воздействия центростремительных импульсов от работающих мышц,

3) влияния на нервные центры биохимических сдвигов в крови при работе.

Разновидности утомления

До последнего времени выделялись два основных вида утомления, связанных с характером деятельности. Это утомление физическое и утомление умственное. Первое обусловлено интенсивной физической работой, второе — напряженностью высших функций, таких, как память, внимание, информационная деятельность, творческая активность.

В зависимости от интенсивности нагрузки выделяют утомление острое и хроническое (). Острое утомление возникает вследствие чрезвычайных нагрузок, характеризуется быстротой развития (до 2-3 мин), резким снижением работоспособности, вплоть до отказа от деятельности.

Медленно развивающееся утомление формируется в результате длительного воздействия трудовой нагрузки, не носящей чрезвычайного характера. Происходит накопление неблагоприятных сдвигов в системах организма, приводящих к снижению работоспособности.

В литературе описываются и другие виды утомления — общее, локальное, мышечное, зрительное, умственное и т. д. Выделяя эти виды утомления, исследователи отмечают наиболее яркие сдвиги в тех системах, которые в наибольшей степени «загружены» в процессе работы.

2.3. Биохимические изменения в организме при выполнении физических и умственных нагрузок

Всякая мышечная деятельность, в том числе и связанная со спортивными нагрузками, приводит к резкому усилению расходования АТФ в мышцах и увеличению потребности организма в кислороде. Чем выше интенсивность работы, тем больше интенсивность гликолиза. Поэтому при выполнении кратковременных физических упражнений максимальной и субмаксимальной мощности организм использует в качестве субстрата окисления преимущественно углеводы, а при более длительных, но менее интенсивных нагрузках – все в большей степени липиды и продукты метаболизма. Источником используемых работающими мышцами углеводов служит, прежде всего, содержащийся в них гликоген. Чем длиннее работа, тем большее значение приобретают гликогеновые запасы печени.

  Уровень сахара в крови зависит от соотношения поступления его в кровь из печени и потребления мышцами. Если мобилизация гликогена в печени запаздывает, угнетается или ослабевает вследствие резкого снижения его содержания, то концентрация сахара в крови уменьшается. При выполнении большинства спортивных нагрузок фактическое потребление кислорода много ниже кислородного запроса. Так, при беге на 100 м последний составляет около 7 л, а фактически потребляется не более 0,5 л. При беге на 400 м кислородный запрос равен 11 – 13 л, а фактически потребляется менее 3 л; при беге на 10 000 м имеются соответственно следующие величины: 150 и 125 л.

3.Экспериментальные методы исследования

Методы исследования Влияние различных проб слюны на биолюминесценцию

Цель: оценить влияние различных проб слюны на биолюминесцентную биферментную систему.

Материалы:

Иммобилизованный реагент основанный на биферментной системе NADH-FMN-оксидоредуктаза-люцифераза (Реагент «энзимолюм») Раствор FMN(10 мкл). Пробы воды. Дистилированая вода (300 мкл) Кюветы Дозаторы 3 штуки от 10 – 300мкл Пробы слюны (20 мкл) Биолюминометр

Ход работы

Отобрать пробы слюны

1.        Достать реагент «энзимолюм» и раствор FMN из холодильника и выдержать их 10 мин при комнатной температуры.

2.        Включить компьютер и прибор. Запустить программу.

3.        Провести контрольные измерения, для чего в кювету по очереди добавить: реагент + 300 мкл дистилированой воды + 10 мкл FMN.

4.        Поместить кювету в прибор и измерить интенсивность свечения.

5.        Повторить измерения еще несколько раз.

7.        Найти по графику максимум значения интенсивности свечения.

8.        Провести измерения проб слюны, для чего в кювету по очереди добавить: мембрану + проба слюны + 10 мкл FMN.

9.        Поместить кювету в прибор, измерить интенсивность свечения.

10.        Повторить измерения еще несколько раз.

12.        Найти по графику максимум значения интенсивности свечения.

13.        Вычислить по формуле T=I1/I0*100% − остаточное свечение. Максимальная интенсивность свечения обозначается I1.

Если свечение пробы находится в пределах 80-100%-это норма, <100- сильная нагрузка, >100-нагрузка почти незаметна.

Погрешность ∆T проб слюны взятых после сна, физических и умственных нагрузок.

∆T =tᾰ (n

∆T - Погрешность изменения свечения проб

tᾰ (n)-коэффициент погрешности Стьюдента по количеству проб

Т-среднее остаточное свечение всех проб

Тi-индивидуальное остаточное свечение проб

n-количество взятых проб

Погрешности для изменения свечения:

Таблица 1.

погрешность
для умственной	для физической
девушки	43	41
юноши	56	55

3.1.2.        Результаты выявления влияния различных проб слюны на биолюминесценцию

Таблица 1.1 Выявление влияния различных проб слюны взятых после сна на биолюминесцентную биферментную систему

Девушки

ФИО
остаточное свечение, %
год рождения	в покое
	2002	34,9
	2002	145,1
	2002	183,2
	2001	124,2
	2001	75,8
	2001	122,7
	2000	48,8
	2000	43,4
	1999	132,6
	2001	38,4
	2000	43,1
	1999	121,0
	1999	56,4
СРЕДНЕЕ	90,0

Юноши

ФИО
остаточное свечение, %
год рождения	в покое
	2001	60,8
	2002	52,0
	2001	121,0
	2000	44,6
	2000	111,7
	1999	113,4
СРЕДНЕЕ	83,9

Вывод: Показатель остаточного свечения в состоянии покоя, наиболее высок у учащихся младших(8-9) классов.

Таблица 2.1 Выявление влияния различных проб слюны взятых после физических нагрузок на биолюминесцентную биферментную систему

ФИО
Остаточное свечение, %
год рождения	после физической нагрузки
	2002	101,0
	2002	16,1
	2002	187,8
	2001	80,4
	2001	25,8
	2001	86,9
	2000	20,5
	2000	20,2
	1999	112,8
	2001	162,4
	2000	68,0
	1999	68,4
	1999	131,7
СРЕДНЕЕ	83,2

Юноши

ФИО
остаточное свечение, %
год рождения	после физической нагрузки
	2001	135,5
	2002	83,0
	2001	51,5
	2000	197,8
	2000	92,6
	1999	114,4
СРЕДНЕЕ	112,5

Вывод: Наиболее высокие показатели свечения, остаточного, отмечены у подростков 10-11 классов среди мальчиков, и у 8-9 среди девочек.

Таблица 3.1 Выявление влияния различных проб слюны взятых после умственных нагрузок на биолюминесцентную биферментную систему

Девушки

ФИО
Остаточное свечение, %
год рождения	после умственной нагрузки
	2002	40,9
	2002	109,8
	2002	63,4
	2001	82,5
	2001	63,3
	2001	93,1
	2000	106,8
	2000	157,2
	1999	77,5
	2001	82,7
	2000	148,5
	1999	179,8
	1999	116,8
СРЕДНЕЕ	101,7

Юноши

ФИО
остаточное свечение, %
год рождения	после умственной нагрузки
	2001	34,5
	2002	29,9
	2001	82,6
	2000	56,7
	2000	139,9
	1999	78,7
СРЕДНЕЕ	70,4

Вывод: Наиболее высокие показатели свечения, остаточного, отмечены подростков как 10-11 классов у девочек, так  и у мальчиков.

Диаграмма 1.

Вывод: Нагрузки оказываемые на организм, практически одинаковы по значению остаточного свечения.

Диаграмма 2.

Вывод: У девушек, наиболее выражена умственная нагрузка чем, у юношей. При этом у юношей наоборот, ярко выражена физическая нагрузка в большей степени, чем у девушек.

Экспериментальные результаты и их обсуждение

Нами было проведено исследование влияния проб слюны на биолюминесцентную систему, в результате выявлено, что:

Показатель остаточного свечения в состоянии покоя, наиболее высок у учащихся младших(8-9) классов. Наиболее высокие показатели свечения, остаточного, отмечены у подростков 10-11 классов среди мальчиков, и у 8-9 среди девочек. Наиболее высокие показатели свечения, остаточного, отмечены подростков как 10-11 классов у девочек, так  и у мальчиков. Нагрузки оказываемые на организм, практически одинаковы по значению остаточного свечения. У юношей, наиболее выражена умственная нагрузка чем, у девушек. При этом у девушек наоборот, ярко выражена физическая нагрузка в большей степени, чем у мальчиков.

4.Выводы

Биолюминесценция – это свет, выделяемый живыми организмами в результате их биохимической (ферментной) активности. Термин также относится к тем реакциям, которые производятся с экстрактами ферментов в пробирке.

Утомление – сложный процесс, затрагивающий все уровни деятельности организма (молекулярный, субклеточный, клеточный, органный, системный, целостного организма) и проявляющийся в совокупности изменений, связанных со сдвигами гомеостаза, регулирующих, вегетативных и исполнительных систем, развитием чувства усталости, временным снижением работоспособности и ее эффективности.

Нами было проведено исследование влияния проб слюны на биолюминесцентную систему:

1)        Показатель остаточного свечения в состоянии покоя, наиболее высок у учащихся младших(8-9) классов.

2)        Наиболее высокие показатели свечения, остаточного, отмечены у подростков 10-11 классов среди мальчиков, и у 8-9 среди девочек.

3)        Наиболее высокие показатели свечения, остаточного, отмечены подростков как 10-11 классов у девочек, так  и у мальчиков.

4)        Нагрузки оказываемые на организм, практически одинаковы по значению остаточного свечения.

5)        У девушек, наиболее выражена умственная нагрузка чем, у юношей. При этом у юношей наоборот, ярко выражена физическая нагрузка в большей степени, чем у девушек.

6) Школьники школы Космонавтики испытывают нагрузку на организм во время учебы. Различий в утомлении после физической и умственной нагрузок не выявлено, т. е. школьники одинаково утомляются как после физической, так и после умственной нагрузок.

5.Заключение

       В ходе исследовательской работы мы подтвердили гипотезу о том, что данным методом можно определить влияние физических и умственных нагрузок на функционирование организма и его утомляемость. Это значит, что биохимическим анализом слюны можно просто и легко определить степень влияния нагрузок на подростка и его организм.

6.Список используемой литературы

Биолюминесцентный анализ. , Гильтезон практикум. Санкт-Петербург 2003 Электронный ресурс: http://www. gruzdoff. ru Электронный ресурс: http://mirtestoff. ru Электронный ресурс: http://www. scienceforum. ru