2 курс / Нормальная физиология / Новые_теории_деятельности_сердца_и_мышечного_сокращения_Завьялов

сит глубокое сомнение, потому как обязательно требует наличия «рабочего тела» (где оно?), динамического изменения объема «рабочего тела» под действием нагревателя (АТФ)

ихолодильника (где он?). К тому же объем расслабленной

исокращенной мышцы практически не меняется (!). Невозможно использование аэродинамической и ги-

дродинамической энергии в работе мышц. Для превращения их в механическую требуется циркуляция больших объемов газов или жидкостей, движущихся с высокой скоростью, которые будут разрушать систему и которых в мышцах не наблюдается. Так, например, комнатные мухи машут крыльями 190–330 раз в секунду, с обязательным реверсом (движением в двух противоположных направлениях). Это 380–660 разнонаправленных движений в секунду!

Остается только один путь – превращение химической энергии в электрическую, а электрической в механическую. Эти рассуждения, утверждает А.А. Микулин, позволяют сделать первый и важнейший вывод: «для механизма мышечного сокращения природа могла выбрать только электрическую энергию, непосредственно превращающуюся в механическую». «И, – заключает профессор, – других сил взаимодействия между молекулами на этом уровне существовать не может, а «гипотеза скольжения», выдвинутая биологом Хаксли, нереальна и ошибочна» [45].

ИдеюА.А.МикулинаподдерживаетГ.П.Малахов:«Уже на рисунках видно, что миофибрилла напоминает электромагнит, в котором при подаче напряжения возникает электромагнитное поле, которое втягивает один сердечник (тонкие нити) в другой (толстые нити)» [42].

Для исследования вопроса превращения химической энергии в электрическую, а электрической в механическую нам необходимо обсудить некоторые законы и свойства электричества и выявить последние достижения в этой области, этого удивительного и всеобъемлющего явления природы.

321

Когдаговорятоскоростираспространенияэлектрического тока в проводнике, то имеют в виду скорость распространения по проводнику электрического поля. Как только в проводникевозникаетэлектрическоеполе,оносогромнойскоростью, близкой к скорости света в вакууме (300 000 км/с), распространяетсяповсейдлинепроводника.Электрическийсигнал, посланный по проводам на расстояние 8 000 км из МосквывоВладивосток,приходитпримерночерез0,03с.Этоговоритотом,чтодействиеэлектромагнитнойиндукциипоскорости практически не ограничено и только этим можно объяснить колебания крыльев насекомых более 1000 в секунду.

Всякий движущийся электрический заряд создает в окружающем пространстве магнитное поле. Из всех известных действий тока только магнитное взаимодействие сопровождаетэлектрическийтокприлюбыхусловияхвлюбой среде и в вакууме, т. е. электроток всегда сопровождается магнитным воздействием (!).

Электромагнитная индукция была открыта Майклом Фарадеем в 1831 году. Он обнаружил, что электродвижущая сила (ЭДС), возникающая в замкнутом проводящем контуре, пропорциональна скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную этим контуром. Величина ЭДС не зависит от того, что является причиной изменения потока – изменение самого магнитного поля или движение контура (или его части) в магнитном поле. Электри-

ческий ток, вызванный ЭДС, называется индукционным током, но и, наоборот, – ток, проходящий через контур, вызывает электродвижущую силу.

Направление вектора магнитной индукции определяется следующим правилом: если смотреть вдоль проводника по направлению тока, т. е. по направлению движения положительных зарядов, то вектор магнитной индукции направлен по ходу часовой стрелки. Линии индукции магнитного поля, созданного катушкой с током, показаны на рис. 8.46.

322

Рис. 8.46. Линии индукции магнитного поля, созданного катушкой с током. Вектор магнитной индукции (В) входит в катушку со стороны направления тока

в витках катушки, соответствующих ходу часовой стрелки

Вектор магнитной индукции входит в катушку (соленоид) со стороны направления тока в витках катушки по ходу часовой стрелки. Действие магнитного поля на проводник с током означает, что магнитное поле действует на движущиеся электрические заряды.

Прохождение тока через соленоид непременно сопровождается выделением энергии в виде теплоты. ЭДС индукции является следствием действия на свободные заряды вихревого электрического поля, возникающего при изменении магнитного поля. Передача электрической энергии непосредственно в нагреваемое тело позволяет осуществитьпрямойнагревсистемы.Этоявлениеширокоиспользуется в промышленности, например, для плавки металлов, и в быту в электроплитах – для приготовления пищи. Если к входу в катушку магнитных линий поднести железный стержень, то магнитное силовое поле будет втягивать его в середину катушки (рис. 8.47). Втягивание железного стержня в катушку (механическая работа) отражает переход электрической энергии в механическую энергию.

Рис. 8.47. Если к входу в катушку магнитных линий поднести железный стержень, то магнитное силовое поле будет втягивать его в середину катушки

323

Вот примеры классических опытов Фарадея, с помощью которых было обнаружено явление электромагнитной индукции. Если ввести магнитный стержень вовнутрь катушки, подключенной к гальванометру, то на гальванометре регистрируется ток электромагнитной индукции (рис.8.48,а).Придвиженииназадвверхрегистрируетсяток в обратном направлении (рис. 8.48, б).

Рис. 8.48. На гальванометре регистрируется ток электромагнитной индукции при введении магнита внутрь катушки (а), а при движении назад вверх регистрируется ток в обратном направлении (б)

В следующем эксперименте над обесточенной катушкой на пружине подвешен железный стержень, который находится в равновесном покое (рис. 8.49, а). При подключении электротока к катушке стержень втягивается во внутрь (рис. 8.50, б).

Рис. 8.49. Влияние электромагнитного поля на железный стержень: а – железный стержень подвешен над обесточенной катушкой; б – при подключении электротока к катушке стер-

жень втягивается вовнутрь ее

На такой закономерности находят применение электромагниты со втяжным якорем (рис. 8.50). Втяжной якорь находится в устойчивом равновесном положении, если его концыудалены от середины катушки.Если жесердечниквыведен из этого положения, то на него действует со стороны магнитного поля катушки сила , направленная в сторону равновесно-

324

го положения. Электромагниты такого типа отличаются большимходомякоря.Такиетяговыеэлектромагнитыиспользуются в качестве привода исполнительных органов автоматических устройств в промышленности [58]. Эта закономерность широкоиспользуетсявзапорныхзамкахповсеместновдверях подъездов жилых домов и офисах для кодового их открытия.

Рис. 8.50. Электромагнит с втяжным якорем.

Электромагниты такого типа отличаются большим ходом сердечника. Это тяговые электромагниты, которые используются в качестве привода исполнительных органов автома-

тических устройств

На рис. 8.51 представлена электромагнитная модель саркомера: сдвоенные электромагнитные катушки (актин), объединенные общим ферромагнитным стержнем (миозин) с изображением направления силовых магнитных линий, моделирующие действие саркомера: а – силовые линии втягивают ферромагнитный стержень (миозин) во внутрь электромагнитных катушек (актин), а смена полярности (направления тока) приводит к обратному процессу: выталкивание стержня из катушек (б).

Рис. 8.51. Модель саркомера, действие магнитных силовых линий: а – силовые линии втягивают стержень во внутрь электромагнитных катушек (сокращение); б – смена полярности (направления тока) приводит к обратному процессу – выталкиванию стержня из катушек (активное расслабление модели саркомера).

325

Анализируя результаты, полученные опытным путем, Фарадей пришел к количественному закону электромагнитной индукции. Он показал, что всякий раз, когда происходит изменение сцепленного с контуром потока магнитной индукции, в контуре возникает индукционный ток. Возникновение индукционного тока указывает на наличие в цепи электро-

движущей силы, называемой электродвижущей силой элек-

тромагнитной индукции. Значение индукционного тока, а, следовательно, и ЭДС электромагнитной индукции определяется только скоростью изменения магнитного потока:

ε~dΦ/(dt ), где ε – ЭДС, Ф – магнитный поток, t – время.

Есливзятьсоленоид(катушкуизпроволоки)изамкнуть на него конденсатор, то у нас получится колебательный контур (рис. 8.52). Конденсатор – это накопитель энергии. Он получает ток от источника питания, накапливает его, а потом в нужный момент мгновенно разряжается на катушку. В живом организме может быть только электролитный конденсатор потому, что организм в основном состоит из жидкостей. В таких конденсаторах достигается значительное увеличение электроемкости.

На рис. 8.52 представлен авто–электро–колебательный контур с аналогом действия в миокарде. В поз. 1 изображен колебательный контур: конденсатор С (или терминальные цистерны – накопители Са2+), катушка индуктивности L (или СР – саркоплазматический ретикулум), П – проводники тока (или поперечные трубочки). Это затухающий колебательный контур, так как с каждым колебанием сила тока ослабевает в связи с потерей энергии при прохождении тока по проводникам и индуктивной катушке.

Импульс из пейсмейкерской области (поз. 1) приводит колебательный контур в действие. Конденсатор разряжается через катушку индуктивности (поз. 2), в которой возникает ЭДС, выделяется тепло и магнитное тело перемещает-

326

ся во внутрь катушки. Ток, возвращаясь обратно в конденсатор,перезаряжаетего(деполяризация,поз.3).Обратныйток разряжается через катушку индуктивности (поз. 4), выделяя тепло, создавая ЭДС в обратном направлении, выталкивая магнитное тело в исходную позицию. Электроток, двигаясь обратно в конденсатор, возвращает ему первичную поляризацию (реполяризация, поз. 5), но значительно с меньшим зарядом. После завершения колебания конденсатор мгновенно заряжается и готов к новому циклу. Биологический конденсатор (терминальные цистерны) мгновенно заряжает матрикс митохондрий, и весь цикл повторяется снова.

Рис. 8.52. Авто–электро–колебательный контур:

С – конденсатор (терминальные цистерны); П – проводники тока (поперечные трубочки); L – катушка индуктивности

(СР – саркоплазматический ретикулум); Са2+ – ионы кальция

Процессы, происходящие в колебательном контуре, могут быть также описаны и с помощью закона сохранения энергии. Если пренебречь активным сопротивлением кон-

327

тура, то сумма энергий электрического поля конденсатора и магнитного поля катушки остается постоянной, что выражается уравнением:

.

Эта формула является уравнением гармонических колебаний и по своей форме совпадает с уравнениями, следующими из закона сохранения энергии при механических колебаниях. Так как уравнения, описывающие колебания электрического заряда конденсатора, аналогичны уравнениям, описывающим механические колебания, то можно провести аналогию между процессами, протекающими в колебательном контуре, и процессами в любых механических (уверены – и в биологических) системах. Закономерности электромагнитных и механических колебаний математически одинаковы.

Для лучшего понимания общности законов изменения видов энергии в колебательных системах (электромеханической, механической и мышечной) и связи таких закономерностей с мышечным сокращением, на рис. 8.53 представлен колебательный контур (электромагнитный)

сэлектролитным конденсатором при втягивании стержня (электро–механический), имитирующего миозиновую нить

ссопоставлением с маятниковой (механической) колебательной системой.

Рис. 8.53 отражает плавный, постепенный (хотя и короткийповремени)переходионовСаизэлектролитногоконденсатора («терминальной цистерны») в индукционную катушку (ретикулум) и обратно, создавая ЭДС, которая выполняет работу по втягиванию стержня (поз. 2–4) с деполяризацией (поз. 5). Одновременно маятник переходит в противопо- ложноеположение.Поз.6–9отражаютпереходобеихколеба- тельных систем в исходное положение, но с выталкиванием

328

стержня (процесс реполяризации) и при движении маятника в обратном направлении. При этом происходит уменьшение заряда конденсатора до нуля с перезарядкой, последующей разрядкой и восстановлением полярности конденсатора («терминальной цистерны»). Электрические явления сокращающихся мышц имеют такие же характеристики.

Рис. 8.53. Электромагнитный колебательный контур при втягивании стержня, имитирующего миозиновую нить и маятник – механическая колебательная система:

– энергия электролитного конденсатора; Са – ионы кальция; ЕП – потенциальная энергия маятника (% от максимума);

v – скорость движения маятника (% от максимума)

На рис. 8.54 представлен электроколебательный контур желудочков сердца. Электрокардиограмма отражает колебания, связанные с электроколебательным контуром миокарда желудочков сердца, вызывающие механическую работу – сокращение и возврат в исходное положение миокарда. Это особенно важно, потому что деполяризация и реполяризация, отраженные на ЭКГ, в настоящее время не подлежат сомнениям [52, с. 32].

329

Рис. 8.54. Электрокардиограмма отражает колебания, связанные с электроколебательным контуром миокарда желудочков сердца, вызывающие механическую работу (сокращение и возврат в исходное положение) Это особенно важно, что деполяризация и реполяризация, отраженные на ЭКГ, в настоящее время не подлежат сомнениям (!)

Приразвитииэмбрионазапускаетсяэлектроколебательный контур сердца на всю жизнь, и если в процессе жизни возникает внезапная остановка сердца, то запустить его работу снова можно только электрическим разрядом. Последнее убедительно подтверждает гипотезу электроколебательного контура в сокращении миокарда (мышцы сердца).

Максимальный КПД в электроколебательном контуре будет иметь катушка с внешним магнитопроводом, минимальной длиной и минимальным зазором между сердечникомимагнитопроводомвмоментзамыканиямагнитопровода

[84](примечание: этим характеристикам отвечает саркомер). Когда электрический ток проходит через металлы, то

никаких химических изменений с ними не происходит. Это объясняется тем, что носители тока в металлах – электроны. Но существует такой класс проводников, в которых электрический ток всегда сопровождается их химическими изменениями. Такими проводниками являются растворы солей, кислот и оснований, а также их расплавы. Их называют

электролитами.

Электролитами называются вещества, в которых электрический ток осуществляется ионной проводимостью.

330