Постоянный ток в биологических объектах

Электрический ток представляет собой направленное движение электрически заряженных частиц под действием электрического поля. Такими частицами могут быть электроны или положительные и отрицательные ионы. Электронная проводимость, присуща металлам и большинству полупроводников, а ионная – растворам электролитов, расплавам некоторых солей и ионным кристаллам. В реальных телах, как твердых, так и жидких, проводимость, как правило, смешанная, но в большинстве случаев с резким преобладанием электронной или ионной компоненты.

В биологических объектах чисто электронная проводимость, отсутствует, так как они в основном представляют собой или диэлектрики, или растворы электролитов; к последним относятся кровь, цитоплазма и различные тканевые жидкости. Так, например, плазма крови содержит 0,32% поваренной соли и небольшое количество других солей, а также 6–7% белков. Можно было бы предположить, что такие системы, содержащие большое количество свободных ионов, будут иметь малое удельное сопротивление. Однако опыты показывают, что удельное сопротивление цитоплазмы постоянному току довольно велико– от 1 до 3 Ом-м, а удельное сопротивление большинства тканей имеет величины от 10 до 100 кОм·м. Это можно объяснить тем, что в состав цитоплазмы входят, помимо электролитов, жиры и белки, а на электрические свойства клеток и тканей оказывают значительное влияние клеточные мембраны. Величины удельных сопротивлений различных тканей довольно сильно отличаются друг от друга. Лучше всего проводят электрический ток спинномозговая жидкость, кровь, лимфа; несколько хуже – мышцы, печень, легочная ткань. Очень большое сопротивление имеют жировая и костная ткани, кожа. Сопротивление ткани зависит от внешних причин. Например, удельное сопротивление влажной кожи значительно меньше, чем сухой; различные повреждения (ссадины, ожоги) понижают сопротивление кожи.

И змерение электросопротивления тканей и органов животных представляет значительную трудность по следующим причинам. Во-первых, простая формула для вычисления сопротивления (R = l/S) применима только для проводников, имеющих вид прямоугольных пластин, проволок и т. п. с расположением электродов на их торцах. При этом линии тока параллельны образующим проводника (рис. а). Если это условие не выполнено (рис. б, в, г), то применять указанную формулу нельзя.

Поскольку биологические объекты имеют самую различную конфигурацию, то при вычислении их удельного сопротивления необходимо прибегать к сложным расчетам.

Кроме того, органы и ткани неоднородны по своему составу. Так, при наложении электродов на участок тела животного линии тока проходят через кожу, жировую и мышечную ткани, через кровеносные сосуды, причем ток идет преимущественно по тем участкам, сопротивление которых наименьшее (вдоль потоков тканевой жидкости, по кровеносным сосудам, нервным волокнам и т. п.), и судить по таким измерениям о сопротивлении ткани в целом крайне трудно, а порой невозможно.

Проведение электрических измерений с живыми объектами связано с рядом дополнительных специфических трудностей, суть которых в том, что физические параметры живых существ не остаются постоянными с течением времени. Они изменяются как в связи с физиологическими процессами, протекающими в организме животных, так и под воздействием протекающего через них тока. При проведении опытов необходимо следить за физиологическим состоянием животного, за тем, чтобы проходящий через него ток не оказывал на него не только повреждающего действия, но и сильного раздражения, которое приводит к изменению электрических параметров организма. При измерениях, проводимых на изолированных от организма тканях, необходимо учитывать ионный характер электропроводности тканей и поддерживать в них постоянную влажность. Для этого на время измерений ткани помещают в специальные влажные камеры. Однако образующийся при этом поверхностный слой влаги может шунтировать объемное сопротивление тканей и искажать результаты измерений. Следует помнить, что каждое предыдущее измерение, раздражая объект, может оказывать влияние на результат последующего измерения, и поэтому при повторных измерениях получаются не всегда совпадающие экспериментальные данные. Не менее сложны измерения электрических параметров отдельных клеток. Введение микроэлектродов в клетку не может не оказывать на нее определенного влияния, вследствие чего происходит изменение ее проводимости. Прохождение постоянного тока приводит к диссоциации цитоплазмы, а это ведет к гибели клетки, если диссоциация достаточно велика. Поэтому при измерении электросопротивления клетки, как и вообще живых объектов, необходимо использовать как можно меньшие токи, а это снижает точность измерений.

Удельные сопротивления некоторых тканей постоянному току при 20 °С

Вещество	, Ом·м	Вещество	, Ом·м
Спинномозговая жидкость Сыворотка крови Кровь Мышцы Печень Мозг	0,55 0,71 1,7 2,0 3,3 14	Жировая ткань Кожа сухая Кость без надкостницы Вода химически чистая Серебро Янтарь	33 105 107 106 1,6·10–8 1018

Если, однако, учесть все вышеуказанные факторы и, соблюдая предосторожности, измерить ток в какой-либо ткани, то окажется, что при постоянном напряжении на электродах сила тока меняется со временем. После присоединения электродов к источнику напряжения сила тока быстро уменьшается в сотни и даже в тысячи раз, и лишь после этого устанавливается какое-то постоянное значение тока. Резкое уменьшение силы тока в биологических объектах, а следовательно, резкое возрастание их электросопротивления через некоторое время после замыкания электрической цепи объясняется поляризационными эффектами, которые были рассмотрены в предыдущем разделе. Приблизительные величины удельных сопротивлений, полученные при измерениях тканей in vitro (выделенных из живого организма), приведены в таблице.

Для сравнения в этой же таблице даны значения удельных сопротивлений серебра и янтаря – как крайних представителей проводников и диэлектриков. Что же касается удельных сопротивлений этих же органов in vivo (в живом организме), то они настолько зависят от метода измерения, что приводить какие-либо значения не имеет смысла.