Кровообращение человека впервые дало электричество
Эксперимент по получению электричества из тока крови. Слева — неактивный e-ink дисплей, справа — подключенный к топливному элементу
Dmitry Pankratov et al. / RSC Advances, 2016
Химики из университета Мальмё (Швеция) и Курчатовского института впервые испытали на человеке топливный элемент, способный вырабатывать электричество при контакте с потоком крови. Его мощности оказалось достаточно для того, чтобы обеспечить электричеством небольшой дисплей на электронных чернилах. Исследование опубликовано в журнале RSC Advances, кратко о нем сообщает блог Королевского химического общества.
Устройство состоит из двух трубчатых графитовых электродов, через которые идет ток крови. На каждом из них протекают определенные электрохимические реакции. На первом происходит окисление глюкозы, сопровождающееся выделением в окружающую среду ионов водорода. На втором электроде происходит реакция восстановления кислорода, растворенного в крови — в результате нее из четырех ионов водорода и одной молекулы кислорода образуются две молекулы воды. В итоге между двумя электродами возникает электрическое напряжение. Точно такой же процесс, но основанный на более простых реакциях, происходит в одном из классических опытов, в ходе которого между медным и цинковым гвоздями, воткнутыми в лимон, возникает электрический ток.
На поверхности электродов нанесены белки-ферменты, ускоряющие эти химические реакции. Окисление глюкозы (до глюконолактона), к примеру, катализирует целлобиозодегидрогеназа, а восстановление кислорода — результат активности билирубиноксидазы, окисляющей билирубин крови до биливердина.
В ex vivo эксперименте добровольцу из научной группы ввели в срединную локтевую вену катетер. На другом его конце находился топливный элемент, через который кровь стекала в заранее подготовленный сосуд. Ученые измеряли напряжение и ток, генерируемые элементом, а также подключили к нему небольшой e-ink дисплей.Эксперимент показал, что несмотря на относительно небольшую мощность элемента, всего 0,74 микроватта, ее хватило, чтобы изменить рисунок на дисплее. Рабочее напряжение элемента составило десятые доли вольта. Всего провели пять таких экспериментов, каждый из которых соответствовал потере крови волонтером от 200 миллилитров.
Подключение e-ink дисплея к топливному элементу, работающему на окислении глюкозы крови. A, B, C, D — схема подключения катетера, E — e-ink дисплей, получающий питание от топливного элемента рядом с неактивным дисплеем
Dmitry Pankratov et al. / RSC Advances, 2016
Источник
Действие электрического тока на человека
Наука – это неустанная многовековая работа мысли.
А. Эйнштейн
I. Введение в тему (3 мин)
Ведущий. Многообразен мир, многообразна природа. Много интересного вокруг нас, но в центре всех явлений венец природы – человек. А как живётся самому человеку в окружении своих же изобретений, далеко не всегда безопасных? Сегодня мы собрались, чтобы обсудить вопрос о действии электрического тока на человека с точки зрения физики, биологии, медицины, основ безопасности жизнедеятельности. Постараемся выработать единую тактику поведения в неоднозначных техногенных ситуациях.
Обсуждение мы проведём в виде «симпозиума» специалистов разных профилей: физиков, медиков, биологов, специалистов МЧС, экспертов. Участники «симпозиума» провели исследовательскую работу по выбранным направлениям (по теме «Электрический ток»), изучили правила техники безопасности при работе с электрическим током. А направления определили ученики 8-го класса: они только что изучили темы «Строение и работа сердца» и «Кровеносная система» и заинтересовались: в чём же состоит поражение организма под действием тока? Что такое электротравма?
II. Слово – физикам (6 мин)
Физик 1. Наша группа рассматривала действия электрического тока. А что такое электрический ток? Это направленное движение заряженных частиц. Электрический ток может протекать в различных средах: металлах, жидкостях, газах. Тело человека также является хорошим проводником электрического тока.
Физик 2. Да потому, что оно состоит на 90% из воды. В этой жидкости присутствуют различные вещества, обеспечивающие электрическую проводимость. Например, в крови имеются эритроциты, несущие частицы железа, и кровь достаточно хорошо проводит электрический ток.
Эксперт. А что происходит с человеком, попавшим под напряжение? Что поражает человека и может даже убить: ток? напряжение? то и другое? оказывает ли ток тепловое поражение? каково влияние тока на сердечный ритм?
Ведущий. Ответим на эти вопросы. Вначале оценим поражающий фактор электрического тока.
Физик 3. Рассмотрим, что испытывает человек, попавший под действие тока: • электрический ток до 0,15 мА человек не ощущает • при силе тока 10 мА появляются болезненные ощущения • при 80 мА появляются затруднения с дыханием • ток 100 мА вызывает фибрилляции (нарушение ритма сердца) • ток свыше 200 мА вызывает сильный ожог и останавливает дыхание.
Как видно из приведённых данных, при токе 100–200 мА возникают беспорядочные неконтролируемые сокращения сердечной мышцы, нарушается кровообращение. Очень трудно восстановить правильный ритм сердца. Легче «включить» (если можно так сказать) остановившееся сердце с помощью мощного электрического импульса. Такой импульс создаётся в дефибрилляторе.
Ведущий. Какое напряжение способно создать электрический ток такого угрожающего значения? Однозначного ответа здесь нет, т. к. сила тока определяется не только напряжением, но и сопротивлением тела человека. Сопротивление зависит от пути следования тока. Например, сопротивление от одной руки к другой достигает 1600 Ом, а от плеча к ноге – 1200 Ом. Особенно опасно, если ток проходит через сердце. Сопротивление человека сильно зависит от индивидуальных особенностей кожного покрова: нежная, тонкая кожа или кожа с повреждениями хорошо проводит ток, сухая огрубевшая кожа – весьма плохо. В сырых помещениях опасность представляет напряжение более 38 В.
Эксперт 1. Какой ток опаснее: переменный или постоянный?
Ведущий. Любой ток опасен, всё зависит от обстоятельств, в том числе и от нервного состояния человека.
Эксперт 2. В США промышленный ток имеет частоту 60 Гц, а у нас частота 50 Гц. Какой ток опаснее?
Ведущий. Считается, что ток частотой 50 Гц менее опасен. Итак, электрический ток создаёт проблемы с сердечной деятельностью человека. А как, собственно, устроено наше сердце? Как оно работает?
III. Слово – биологам (6 мин)
Биолог 1 (рассказывает по плакату). Центральный орган кровообращения – сердце. Это насос, который гонит кровь по сосудам. Сердце лежит в грудной полости между лёгкими, немного левее средней линии тела. Его размеры невелики, примерно с кулак человека, а средняя масса – от 250 г (у женщин) до 300 г (у мужчин). По форме сердце напоминает конус.
Сердце представляет собой полый мышечный орган, разделённый внутри на четыре полости-камеры: правое и левое предсердия, правый и левый желудочки. Правая и левая половины не сообщаются. Сердце находится внутри специального мешочка – околосердечной сумки, она содержит небольшое количество жидкости, смачивающей её стенки и поверхность сердца при его сокращениях. Желудочки сердца крупнее предсердий, с хорошо развитыми мышечными стенками. Стенки предсердий значительно тоньше. Это и понятно: предсердия совершают гораздо меньшую работу, перегоняя кровь в расположенные рядом желудочки. Желудочки же выталкивают кровь в круги кровообращения с большой силой, чтобы она по капиллярам могла достичь самых удалённых уголков тела. Особенно развита мышечная стенка левого желудочка.
Движение крови совершается в определённом направлении, это достигается наличием в сердце клапанов. Продвижение крови из предсердия в желудочки регулируют створчатые клапаны, которые могут открываться только в сторону желудочков.
Возврату крови из артерии в желудочки препятствуют полулунные клапаны. Они находятся у входа в артерии и имеют вид глубоких полукруглых карманов, которые под напором крови расправляются, раскрываются, заполняются кровью, тесно смыкаются и таким образом перекрывают обратный путь крови из аорты и лёгочного ствола в камеры сердца. При сокращении желудочков полулунные клапаны прижимаются к стенкам, пропуская кровь в аорту и лёгочный ствол.
Эксперт 1. Пожалуйста, ещё раз поясните, почему кровь не течёт в обратном направлении?
Ведущий. Чтобы кровь текла в нужном направлении, каждый отдел сердца отделён от соседнего и от сосудов прочными клапанами из соединительной ткани, которые пропускают ток крови только в одном направлении. Состояния, при которых сквозь закрытые клапаны кровь просачивается обратно, называются врождёнными клапанными пороками сердца.
Биолог 2. А я хочу рассказать, как работает сердце. Учёные подсчитали, что за сутки оно расходует количество энергии, достаточное для поднятия груза массой 900 кг на высоту 14 м, а ведь сердце работает непрерывно 80 лет и более! В чём же секрет его неутомимости? Во многом это объясняется особенностями работы сердца. Она состоит в последовательном сокращении и расслаблении с короткими промежутками для отдыха. В одном сердечном цикле можно выделить три фазы. Во время первой фазы, которая у взрослого человека длится 0,1 с, сокращаются предсердия, а желудочки находятся в расслабленном состоянии. За ней следует вторая фаза (она более продолжительная – 0,3 с): желудочки сокращаются, а предсердия расслаблены. После этого наступает третья, заключительная, фаза – пауза, во время которой происходит общее расслабление сердца. Её продолжительность 0,4 с. Весь цикл занимает 0,8 с.
Ведущий. Ещё раз уточните время работы и время отдыха сердца.
Биолог 3. Сокращение предсердий 0,1 с, сокращение желудочков 0,3 с, пауза расслабления 0,4 с.
Эксперт 2. Можно, я дополню? Расскажу, почему бьётся сердце. Когда сердце ритмично бьётся, благодаря электрической системе происходит сокращение и расслабление его отделов. На поверхности сердца расположены разветвлённые волокна. Они могут генерировать и передавать электрические импульсы. Сигналы зарождаются в синусовом узле (его также называют водителем ритма), расположенном на поверхности правого предсердия. Из синусового узла импульс проходит через предсердия, вызывая их сокращение, и распространяется по желудочкам, слаженно сокращая их мышечные волокна. У здорового человека частота сокращений составляет в покое 60–80 в минуту, это и есть нормальный пульс. На ЭКГ это выглядит так, как показано на рисунке.
Биолог 4. Теперь представим, что может произойти, если происходит поражение электрическим током. Электрический ток при поражении рука–рука, нога–рука всегда проходит через сердце. Это может произойти в любую фазу сердечного цикла. Последствия бывают разные. Например:
• разрыв миокарда – кровь поступает в околосердечную сумку, наступает смерть • раскрытие створчатого клапана – он не закрывается, кровь самотёком поступает из предсердия в желудочек • предсердие не сокращается, желудочек наполняется кровью • плохо закрываются полулунные клапаны в аорте. Необходима операция – шунтирование.
Ведущий. Теперь понятно, как поражается сердце при электрическом токе. А может ли человеческий организм сам вырабатывать электрический ток, т. е. создавать напряжение?
Биолог 1. Да, такая функция есть. Сердечная мышца генерирует слабые токи. И это замечательно. Этот факт даёт возможность изучать и контролировать работу сердца.
IV. Характеристики работы сердца (5 мин)
Биолог 2. Итак, наше родное сердце радуется, ценит, переживает, ликует, волнуется, тревожится, замирает, выскакивает из груди, торжествует, огорчается. Оценим его характеристики:
• ρкрови = 1060 кг/м 3 : (ρпр.воды = 1000 кг/м 3 ; ρмор.воды = 1000 кг/м 3 );
• υ = 0,5 м/с (направление ветра, имеющего такую скорость, заметно по относу дыма, но не по флюгеру; на море – рябь, пены на гребнях нет);
• p1 = 70 мм рт. ст.; p2 = 110 мм рт. ст. (это измеряемое врачом давление крови в сосудах, избыточное над атмосферным. Указанные значения соответствуют абсолютному давлению крови в сосудах 820–860 мм рт. ст., т. к. нормальное атмосферное давление в Подмосковье 750 мм рт. ст.);
• F = 90 Н – сердечное усилие (это соответствует силе тяжести тела массой 9 кг);
• V = 60 см 3 – объём крови, проходящий через сердце за одно сокращение; V = 3,6 л – объём крови, проходящий через сердце за 1 мин (для наглядности показывают сосуд обьёмом 3,6 л с подкрашенной жидкостью); V = 216 л – объём крови, проходящий через сердце за 1 ч (более 21 ведра жидкости!);
• А = 1 Дж – работа сердца за одно сокращение (работа по поднятию тела массой 100 г на высоту 1 м).
Ведущий. Надо беречь родное сердце. Эксперты имеют право задать вопросы группе МЧС.
Эксперт 1. Человек попал под напряжение, например, наступил на оборванный провод. Что надо сделать в первую очередь?
Специалист МЧС 1. Надо изолировать пострадавшего от находящихся под напряжением проводов с помощью подручных средств (сухой палки, доски).
Эксперт 2. Вы оказались в зоне электрического напряжения, как из него правильно выйти?
Специалист МЧС 2. Выходить надо мелкими шаркающими шагами или заячьими подскоками.
Эксперт 1. У пострадавшего остановка сердца вследствие электрошока. Как помочь?
Специалист МЧС 1. Необходимо обесточить пострадавшего, затем срочно начать выполнять непрямой массаж сердца в комплексе с искусственным дыханием. Вследствие воздействия тока может быть спазм мышц, поэтому надо разжать зубы пострадавшему с помощью ножа или палочки. На его рот и нос накладывают чистый носовой платок, в лёгкие вдувают воздух с частотой 18–20 раз в минуту, делают массаж сердца, ритмично надавливая на нижнюю треть грудины с частотой 60–70 раз в минуту.
Ведущий. Как уберечься от электротравм дома?
Специалист МЧС 2. В быту заметную опасность представляет стиральная машина, т. к. моющий раствор – это хороший проводник тока. Нельзя включать машину в обычную розетку. Необходимо подвести к ней напряжение от электрораспределительного щита. В этом случае будет задействована нулевая фаза, которая обеспечит заземление.
Медик. Малые токи для человека полезны. Например, в физиотерапевтическом кабинете делают прогревание с помощью электрофореза.
Нормальной работе сердца способствуют физические упражнения, посильный труд, активный образ жизни. При физической работе: • увеличивается объём крови, протекающей через сердечную мышцу • улучшается снабжение её кислородом и питательными веществами. Всё это способствует укреплению сердечной мышцы и её развитию.
При снижении физической нагрузки сердечная мышца слабеет, например, на 70-е сутки полной неподвижности размер сердца уменьшается на 13–18%. В то же время следует помнить, что у детей рост сети кровеносных сосудов отстаёт от роста сердца. Поэтому сердце подростка затрачивает дополнительные усилия на проталкивание крови через узкие просветы сосудов. В этот период нужны физические нагрузки в пределах возможностей каждого ребёнка.
V. Оценка состояния здоровья (тест, 20 мин)
Ведущий. Оценим состояние своего здоровья, ответив на вопросы анкеты:
Состояние кожных покровов (чистота кожи и язык без налёта) . 1 балл
– выпуклые, гладкие, блестящие . 1 балл
– ломкие, с продольными и поперечными бороздками, чрезмерно выпуклые и вмятые, с жёлто-коричневыми разводами . – 1 балл
Волосы: мягкие, эластичные, с естественным блеском . 1 балл
– вы бодры, у вас много сил . 1 балл
– вы испытываете усталость . – 1 балл
– выполняете домашние задания легко, сосредоточиваетесь, не отвлекаетесь . 1 балл
– с трудом выполняете домашнее задание, не можете сосредоточиться . – 1 балл
– в среднем темпе без остановки поднимаетесь на 5-й этаж, без одышки . 1 балл
– у вас появляется одышка . – 1 балл
– засыпаете сразу, сон крепкий, дающий ощущение бодрости . 1 балл
– длительное засыпание, раннее пробуждение, просыпаетесь среди ночи . – 1 балл
– вы жизнерадостны, увлечены какой-либо деятельностью, оптимистичны . 1 балл
– часто испытываете скуку, страх, пессимистичны . – 1 балл
– хороший . 1 балл
– нет аппетита . – 1 балл
– болеете редко, без осложнений . 1 балл
– болеете дважды в год и более, часто простужаетесь . – 1 балл
– легко переносите поездки, быстро приспосабливаетесь к изменениям окружающей среды . 1 балл
– при изменениях погоды чувствуете себя разбитым, вас клонит ко сну, болит голова, плохо переносите поездки . – 1 балл
10–12 баллов . высокий уровень здоровья;
6–9 баллов . средний уровень здоровья;
менее 6 баллов . низкий уровень здоровья.
По данным из университета Южной Дании, продолжительность жизни в мире растёт с 1840 г., и за последние 50 лет в 30 развитых странах вдвое увеличилось число граждан в возрасте 80 лет и старше. Решающую роль в этом играют активный образ жизни, посильные физические и умственные нагрузки. Значит, здоровый образ жизни – это не только отсутствие вредных привычек, но и активная жизненная позиция.
Обсуждение вопросов и ответов с экспертами.
- Уокер Дж. Физический фейерверк. М.: Мир, 1979. С. 148.
- Сёмке А.И. Занимательные материалы к урокам: портфель учителя; физика. М.: НЦ ЭНАС, 2006. С. 72.
- Громов С.В. Физика. 9 класс: учеб. для общеобразоват. учреждений. М.: Просвещение, 2005.
- Биология. 9–11 классы: элективные курсы. М.: Айрис Пресс, 2007. С. 29, 55, 57.
- Батуев А.С., Кузьмина И.Д., Ноздрачёв А.Д. Биология: Человек. Учебник. 8 класс, М.: Дрофа, 2007.
Фото присланы авторами.
Татьяна Алексеевна Сухарева – учитель физики высшей квалификационной категории, в 1971 г. окончила Коломенский ГПИ, общий трудовой стаж 36 лет (из них в данной школе 18 лет). По распределению работала в Новосибирской области (с. Улыбино), затем в Горьковской области и в школе № 4 г. Можайска. Самое высокое достижение учеников – Николай Шишкин занял 1-е место в олимпиаде по физике среди железнодорожных школ страны в 1988 г. Педагогическое кредо: педагогика сотрудничества, быть доброжелательной и внимательной к успехам и затруднениям учащихся; физика – это не только трудно, но и очень интересно; физика – вокруг нас, надо только постараться её разглядеть. Проводит открытые мероприятия для учителей-предметников с демонстрацией интересных проявлений физических явлений. Проблемы: обычные трудности любого предметника – недостаток учебного времени для качественной подготовки к ЕГЭ. Выход видит в дополнительных занятиях во внеурочное время. Занятия проводит методом блочного повторения учебного материала. Хобби: выращивание цветов.
Татьяна Васильевна Вислогузова – учитель биологии второй квалификационной категории, окончила в 1986 г. ВСХИЗО, педагогический стаж 27 лет (из них в данной школе 8 лет). С 1982 г. работала в СПТУ-97. Педагогическое кредо: с давних пор человек желает познать окружающий мир и самого себя. Проблемы: нехватка времени для лучшего усвоения предмета. Заметные достижения в предпрофильной подготовке учащихся: выпускники продолжают обучение в медицинских учреждениях и ветеринарной академии. Хобби: дизайн своего дома.
Источник
ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ БИОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ
ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ БИОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ — количественная характеристика способности живых объектов (тканей) проводить электрический ток. Электропроводность обратно пропорциональна величине электрического сопротивления системы.
Измерение электропроводимости биологических систем используют для получения информации о функциональном состоянии биол, тканей, для выявления воспалительных процессов, изменения проницаемости клеточных мембран и стенок сосудов при патологии или действии на организм физических, химических и других факторов (см. Проницаемость). Измерение электропроводимости биологических систем лежит в основе многих методов оценки кровенаполнения сосудов органов и тканей (см. Реография).
При подаче разности потенциалов (U) через объект течет электрический ток силой (I), величина которой пропорциональна электропроводности (G): I=GU. Величина электропроводности зависит от количества свободных электрических зарядов и их подвижности. Чем больше количество зарядов и их подвижность, тем больше электропроводность. В клетке основными свободными зарядами являются ионы калия и органические анноны, а снаружи клетки, в межклеточных пространствах и тканевых жидкостях — ионы натрия и хлора. В биологических жидкостях (кровь, спинномозговая жидкость, моча и т. д.) электропроводность пропорциональна содержанию в них свободных ионов. Связанные заряды (ионогенные группы белков, липидов, углеводов), перемещение которых ограничено, и крупные ионы с малой подвижностью не оказывают существенного влияния на величину электропроводимости биологических систем.
Электропроводность или сопротивление клеток, тканей, органов и целых организмов измеряют при пропускании через них постоянного или переменного синусоидальной формы тока, частота которого может изменяться от долей герца до 10 10 гц. При измерениях на переменном токе с круговой частотой ω (ω = 2πf, где f — частота в гц) общее сопротивление системы, или импеданс (см.), зависит от наличия границ раздела в системе, на которых может происходить накопление зарядов — поляризация (см.). Свойства границ раздела (в биологическом объекте это главным образом различные мембраны) могут быть описаны, если ввести понятие емкости С, сопротивление которой Хс (реактивное сопротивление в отличие от R — активного сопротивления) зависит от частоты, на которой производится измерение: Xс = 1/(ωC).
Общее сопротивление (Z) равно сумме сопротивлений реактивного Хc и активного R, если R и С соединены последовательно; при параллельном соединении R и С общее сопротивление рассчитывается по формуле:
Для измерения электрических характеристик биол. объекта применяют металлические или угольные электроды (см.), которые прикладывают к объекту с помощью жидкостного контакта — тонкого слоя хорошо проводящей жидкости, чаще всего — физиологического раствора. В ряде случаев, напр. при измерении электропроводности цитоплазматических мембран, один из электродов вводится внутрь клетки, а другой подводится к клетке снаружи (см. Микроэлектродный метод исследования). При измерении электропроводимости биологических систем на постоянном и переменном токах низкой частоты важно учитывать величину поляризации электродов, поскольку за счет электродной поляризации истинные электрические параметры биол, объекта могут значительно отличаться от измеренных. Величина поляризации электродов определяется плотностью тока, которая зависит от приложенной к системе разности потенциалов, сопротивления системы, площади измерительных электродов. Чем больше площадь электродов, тем меньше плотность тока и тем меньше искажения, вносимые в измерения электродами. Поэтому для уменьшения плотности тока используют электроды с большой эффективной поверхностью, в частности платиновые электроды, покрытые платиновой чернью (их губчатое покрытие увеличивает эффективную поверхность электродов в 100 — 1000 раз). Возможно применение и так называемых неполяризующихся электродов (например, каломельных, хлорсеребряных).
Для облегчения интерпретации получаемых результатов биологическую систему (ткани, суспензии клеток) часто представляют в виде модели — электрической схемы, состоящей из набора активных сопротивлений и емкостей, являющихся как бы эквивалентами биологических структур клеток или тканей, участвующих в проведении электрического тока.
Измерение электропроводимости биологических систем на постоянном токе из-за высокой степени поляризации мембран и электродов крайне затруднено. На низких частотах переменного тока большая часть тока протекает по межклеточным промежуткам. При увеличении частоты электрического тока реактивное сопротивление емкости падает, поляризационные явления уменьшаются. Зависимость сопротивления и емкости объекта от частоты получила название дисперсии (см.). На высоких частотах общее сопротивление системы зависит только от активных сопротивлений межклеточных пространств и цитоплазмы.
В медицине и биологии электропроводимость биологических систем чаще всего исследуют в области так называемой β-дисперсии, которая наблюдается в диапазоне частот 10 2 —10 8 гц и определяется поляризацией границ раздела и неоднородностью структуры объекта. Измерения электропроводимости биологических систем показали, что по мере повышения частоты электропроводность возрастает, достигая предельной величины. При переживании и отмирании ткани возрастает электропроводимость биологических систем на низких частотах. Это связано с тем, что при отмирании ткани растет проницаемость мембран для ионов, и они уже не являются границей, на которой может происходить поляризация. Основываясь на способности живой ткани к поляризации, Б. Н. Тарусов предложил в качестве критерия оценки жизнеспособности ткани использовать коэффициент К, численно равный отношению Rн/Rв где Rн и Rв — сопротивления ткани, измеренные соответственно на низкой и высокой частотах; при отмирании ткани он стремится к единице. Выбор частот для расчета К определяется диапазоном β-дисперсии: низкой частоте соответствует частота начала β-дисперсии, высокой — частота, при которой электропроводимость биологических систем достигает максимальной величины. Например, для мышечной ткани — это 10 3 и 10 6 гц, клеток крови и жировой ткани — 10 4 и 10 7 гц, кожи — 10 2 и 10 4 гц и т. д. На высоких частотах, когда активное и общее сопротивления не зависят от частоты, возможно исследование относительных изменений числа ионов в биол. системе, связанных с нарушением водно-солевого обмена.
Сопоставляя Данные, полученные при измерении на низких и высоких частотах, можно вычислить объем и ионную проводимость межклеточных пространств и цитоплазмы клеток, проницаемость мембран для ионов, емкостные характеристики мембраны. Если измерения проводятся в системе, где межклеточные пространства занимают достаточно большой объем (более 20—30%), например при измерениях электропроводности крови, то для вычисления параметров дисперсной фазы (эритроцитов) используют специальные формулы. Частоты, на которых наблюдается дисперсия, зависят от величины клеток и объема межклеточных пространств. Так, дисперсия электропроводимости биологических систем для клеток крови начинается на частотах порядка нескольких десятков килогерц, для мышечной ткани — несколько килогерц, жировой — сотен килогерц. При исследовании электрических характеристик плазматических мембран клеток дисперсия обнаруживается на частотах порядка нескольких десятков герц. Электрические характеристики тканей и органов на низких частотах зависят от неоднородности расположения клеток и межклеточных пространств и соотношения их объемов. Этот факт используется в реографии и реоэнцефалографии (см.) при исследовании изменений кровенаполнения ткани и эластических свойств стенок сосудов. Измерение электропроводимости биологических систем на низких частотах позволяет оценить изменения объема межклеточных пространств, в частности при развитии воспаления (см.). Так, на первых стадиях воспалительного процесса структура клеток изменяется незначительно, и импеданс клеток сохраняет свою величину. По мере набухания клеток и уменьшения объема межклеточных пространств происходит увеличение общего сопротивления системы. На более поздних стадиях развития воспаления импеданс системы уменьшается за счет возрастания проницаемости мембран для различных ионов.
Таким образом, измерение электропроводимости биологических систем или импеданса, особенно в широком диапазоне частот, может быть использовано при исследовании проницаемости клеточных мембран и других границ раздела в клетках, тканях, органах, а стандартизация (измерение удельных величин) дает возможность сравнивать данные, полученные разными исследователями. Возбуждение, изменение интенсивности метаболизма и других функций клеток приводят к изменению электропроводимости биологических систем. Методы измерения электропроводимости биологических систем используют для исследования влияния на биологические объекты различных факторов: работы (увеличение интенсивности метаболизма приводит к увеличению проницаемости мембран); психогенных (изменяется проницаемость кожи за счет работы потовых желез); физических (радиация, ультрафиолетовое излучение, температура и др.) и химических (кислоты, щелочи, спирты и др.), обычно сопровождаемых ростом проницаемости. Изменение проницаемости мембран часто зависит от дозы или концентрации действующего вещества. Так, соли меди в малых концентрациях уменьшают проницаемость мембран мышечных клеток кожи лягушки, а в концентрациях более 10 -3 М — увеличивают. Исследование электрических свойств возбудимых тканей способствовало изучению механизма проведения возбуждения по нерву п мышце. На основании измерений активного сопротивления, емкости и их дисперсии была вычислена статическая емкость клеточной мембраны (около 1 мкф/см 2 ) и впервые определена толщина ее липидного бислоя. Было найдено, что удельное сопротивление аксоплазмы и миоплазмы всего в 2—3 раза выше сопротивления внеклеточной жидкости, тогда как сопротивление мембраны выше в десятки тысяч раз. Эти данные послужили основанием для возникновения представления о «кабельной» структуре волокна. Установлены временные соотношения между изменением проницаемости мембраны для ионов и развитием потенциала действия — «импедансный спайк» (см. Биоэлектрические потенциалы, Нервный импульс). Исследование электропроводимости биологических систем может быть использовано для оценки состояния тканей при их консервации, а также эффективности действия биологически активных веществ на модельные системы. В ряде случаев проницаемость биол. мембран для ионов сопряжена с их проницаемостью для незаряженных частиц— сахаров, аминокислот и других соединений. Поэтому измерение электропроводимости биологических систем может оказаться полезным при изучении проницаемости мембран и для неэлектролитов. Исследование электпроводимости биологических систем может найти применение и в биотехнологии для оценки оптимальности среды и условий культивирования клеток.
Библиогр.: Андреев В. С. Кондуктометрические методы и приборы в биологии и медицине, М., 1973; Биофизика, под ред. Б. Н. Тарусова и О. Р. Колье, с. 186, М., 1968; Гречин В. Б. и Боровикова В. Н. Медленные неэлектрические процессы в оценке функционального состояния мозга человека, с. 22, Л, 1982; Гуревич М. И. и др. Импедансная реоплетизмография, Киев, 1982; Егоров Ю. В. и Кузнецова Г. Д. Мозг как объемный проводник, М., 1976; Слынько П. П. Основы низкочастотной кондуктометрии в биологии, М., 1972; Хассет Дж. Введение в психофизиологию, пер. с англ., с. 53, М., 1981; Электроника и кибернетика в биологии и медицине, пер. с англ., под ред. П. К. Анохина, с. 71, М., 1963; Schwan Н. P. Electrical properties of tissue and cell suspensions, Advanc, biol. med. Phys., v. 5, p. 147, 1957.
Источник
5 минут об электричестве в человеке
Всем привет, я Маша Осетрова, и сегодня я немного расскажу вам про электричество в теле человека.
Сюжет о Викторе Франкенштейне, создавшем монстра из неживой материи, идейно восходит к проведенным в XVIII веке опытам Луиджи Гальвани, который заставил мышцы лягушки сокращаться под действием электрического тока. Его эксперименты вдохновили многих исследователей на изучение функций электричества в теле живых существ. На сегодняшний день ученые сильно продвинулись в этой области: придумали обезболивающие, выяснили, что заставляет наше сердце биться, что происходит в голове у влюбленных и многое другое.
Между электричеством нашего организм, и электричеством, которое обеспечивает наши дома, есть два фундаментальных различия. Электричество из розетки представляет собой поток электронов. В отличие от этого практически все токи в живых существах являются потоками ионов — атомов, имеющих электрический заряд. Токи в нашем организме связаны с пятью типами частиц: четырьмя положительными ионами — натрия, калия, кальция и водорода — и одним отрицательным хлорид-аниона.
Второе важное различие связано с направлением движения частиц. Ток в электрической цепи течет вдоль проводника, в то время как распространению электрического импульса по нейрону способствует движение ионов в перпендикулярном направлении.
В книге «Искра жизни» Фрэнсис Эшкрофт собрала воедино имеющиеся на сегодняшний день знания об электрических токах в организме человека и процессах на клеточном и молекулярном уровне, управляющих передачей электрических импульсов.
В состоянии покоя на мембране всех клеток существует разность потенциалов в 70 мВ, которую также называют потенциалом покоя. Изменение этого потенциала возможно при проходе заряженных частиц через мембрану внутрь и наружу клетки через специальные шлюзы — ионные каналы.
Для управления ионными каналами соседей нервные клетки выпускают в синаптическую щель — место контакта нейронов — специальные вещества, нейромедиаторы. Они специфично взаимодействуют с ионными каналами в мембране целевой клетки, подходя к определенному типу каналов как ключ к замку. В результате взаимодействия канал открывается, пропуская через себя ионы внутрь или наружу клетки. Направление движения частиц при этом зависит от концентрации ионов и распределения зарядов.
В состоянии покоя потенциал-зависимые натриевые и калиевые каналы клеток нервной и мышечной ткани находятся в закрытом состоянии под действием потенциала покоя. Они открываются только тогда, когда потенциал смещается в положительную сторону: когда это происходит, генерируется нервный импульс.
Хотя потенциально нервные волокна могут проводить импульсы в любую сторону, обычно они передают их только в одном направлении. Двигательные нервы передают сигнал от головного и спинного мозга к мышцам для управления их сокращением, а чувствительные нервы передают информацию в обратном направлении — от органов чувств к головному мозгу.
Поддержание клеток в поляризованном состоянии жизненно важно для организма и крайне энергозатратно. Один лишь мозг использует около 10% вдыхаемого кислорода для поддержания работы натриевого насоса и подзарядки аккумуляторов нервных клеток.
Наибольшее значение для генерации нервного импульса имеют калиевые и натриевые каналы. Это подчеркивает тот факт, что яды пауков, моллюсков, актиний, лягушек, змей, скорпионов и множества других экзотических существ воздействуют именно на них и, таким образом, нарушают функционирование нервов и мышц. Многие токсины крайне специфичны и нацелены на какой-нибудь один вид ионных каналов.
Разные яды имеют разный механизм действия: некоторые из них закупоривают ионные поры, а некоторые выступают в роли «распора», фиксируя канал в открытом состоянии. Это приводит к тому, что результатом проникновения в организм одних токсинов является паралич, а других — чрезмерное возбуждение, вызывающее судороги.
К примеру, яд тетродотоксин, содержащийся во внутренностях иглобрюха, которого японцы называют «рыба фугу», обладает специфичностью к натриевым каналам. Прочно закупоривая ионные поры, он препятствует нормальной передаче нервных импульсов, вызывая паралич и зачастую приводя к летальному исходу. Тем не менее, гурманы со всего мира регулярно рискуют жизнью, чтобы отведать фугу: при правильном приготовлении она перестает быть ядовитой, и лишь слегка покалывает небо.
Еще один токсин, ради эффекта которого люди готовы рискнуть — ботокс, используемый в косметических целях для разглаживания морщин. Ботокс, он же ботулотоксин — яд бактерий вида Clostridium botulinum, — один из самых сильных известных природных ядов. Он препятствует сокращению мышц и постепенно приводит к смерти от удушья. В количестве, умещающемся на кончике иглы, он смертелен для взрослого человека, однако инъекции ботокса под кожу в ничтожных концентрациях способствуют избавлению от мимических морщин.
На этом все, читайте умные книги, не суйте пальцы в розетку и читайте портал «Чердак»! А в следующем выпуске я расскажу вам о том, как мы делаем ЭТО.
Источник