Ответы на вопросы к коллоквиум № 3 - 2005 год / Вопрос 29

29. Действие переменного электрического поля на биологические объекты. Поляризация диэлектриков в организме, виды поляризации, характерные времена релаксации. Дисперсия диэлектрической проницаемости.

Органические вещества (белки, жиры, углеводы), из которых состоят живые ткани, в чистом и сухом виде являются диэлектриками. Однако все ткани и клетки в организме содержат или омываются жидкостями (кровь, лимфа, различные тканевые жидкости), в состав которых, кроме органических коллоидов, входят растворы электролитов. Поэтому эти жидкости являются относительно хорошими проводниками.

Биологические объекты представляют собой гетерогенные структуры. Гетерогенность тканей в большей степени обусловлена наличием мембран. К ним относятся клеточные поверхностные мембраны и мембраны, окружающие клеточные орга­ноиды и образующие эндоплазматическую сеть.

Под действием электрического поля в диэлектриках проис­ходит смещение и ориентация зарядов в пределах атома или молекулы. Это явление называется поляризацией диэлектрика. Время, в течение которого происходит образование и (или) ориентация электрических диполей вдоль силовых линий электрического поля, называется временем релаксации поляризации. Все виды поляризации диэлектриков: электронная, ионная, ориентационная, макроструктурная, поверхностная и др. в той или иной мере присущи биологическим объектам.

Макроструктурная поляризация происходит во всем объеме клеток вследствие неоднородности электрических свойств клеток. Под действием внешнего электрического поля внутри отдельных структурных элементов клеток, ограниченных мембранами, происходит перемещение свободных зарядов-ио­нов, вследствие чего эта структурная единица превращается в макроскопический электрический (содержащий много атомов и молекул) диполь.

Поверхностная поляризация происходит на поверхност­ных, имеющих двойной электрический слой (например, мемб­раны). При наложении внешнего электрического поля на по­верхностях раздела происходит перераспределение ионов и ча­стиц дисперсной фазы заряженных противоположно.

Времена релаксации:

Электронной поляризации – 10 ^{- 16} -10 ^{- 14} с

Ионной поляризации – 10 ^{- 14} -10 ^{- 12} с

Ориентационной поляризации – 10 ^{- 13} – 10 ^{- 7} с

Макроструктурной поляризации – 10^-8 – 10^-3 с Поверхностной поляризации – 10 ^-3 – 10 ⁰ с

В тканях, помещенных в переменное электрическое поле, наблюдается поляризация, время релаксации которой меньше половины периода изменения поля. Поэтому с ростом частоты более медленные виды поляризации "выпадают". Этим объяс­няется убывание диэлектрической проницаемости с ростом ча­стоты (дисперсия диэлектрической проницаемости).

При изучении частотных зависимостей диэлектрической проницаемости биологических объектов было обнаружено три области дисперсии, получившие названия α-, β-, γ-дисперсии (по Г. Швану).

α -дисперсия занимает область низких частот, примерно до 1000 Гц. В данной области уменьшение диэлектрической про­ницаемости биологических систем обусловлено только умень­шением эффекта поляризации поверхности клеток.

β -дисперсия занимает более широкую область частот: 10³—10⁷ Гц. В этой области уменьшение диэлектрической проница­емости связано с уменьшением макроструктурной поляриза­ции.

γ -дисперсия наблюдается в области выше 1000 МГц (выше 10⁹ Гц). Уменьшение диэлектрической проницаемости в этом диапа­зоне обусловлено ослаблением эффекта ориентационной поля­ризации, вызываемого диполями воды. Величина γ-дисперсии будет зависеть от содержания свободной воды в исследуемых тканях.

В области выше 10¹⁰ Гц эффект поляризации, обусловленный диполями воды, отсутствует. Диэлектрическая проницаемость будет иметь небольшие значения, определяе­мые только ионной и электронной поляризацией, имеющей са­мое малое время релаксации.