Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Взаимодействие полей и излучений с биологическими объектами. Учебное пособие
.pdf
травысокочастотной (УВЧ) терапии (f=40,68 МГц) лечебный эффект обусловлен главным образом воздействием тока смещения [11].
В последнее время в литературе появляются сообщения о том, что
биологически важные макромолекулы проявляют свойства, подобные полупроводникам. Объектами исследований были различные виды белковых
соединений, в том числе аминокислоты и ряд других жизнеопределяющих
веществ организма. Изучение биологических объектов с позиций физики
полупроводников позволило обнаружить элементы и даже молекулы, играющие роль доноров, отдающих электроны, и акцепторов, захватывающих
электроны у соседних молекул. Кроме того, установлена принципиально
новая особенность электрофизических свойств биообъектов. Для большинства гигантских биологических молекул, как и для атомов полупроводников, энергия связи составляет единицы и даже дробные значения электронвольт. Такие данные получены для самых различных биологических объектов.
Существует предположение, что носителями заряда являются электроны, которые перемещаются посредством известного в физике твердого
тела явления, называемого туннельным эффектом. Благодаря туннельному
эффекту электроны переходят из одной молекулы в другую без затрат
внешней энергии.
Гипотеза о том, что носителями заряда в белках и других элементах
живого организма наряду с ионами являются электроны и дырки, открывает
новые возможности в познании биофизических явлений, присущих только
биологическим объектам.
Однако в настоящее время реакции биологических объектов, обладающих полупроводниковыми свойствами, пока не учитываются и живой организм принято рассматривать как объект, состоящий из композиции проводниковых и диэлектрических сред.
71
3.3. Особенности электропроводности живых тканей
Современные представления об электрических и магнитных свойствах живых тканей основаны на сведениях о молекулярной организации
биологических мембран и в значительно меньшей степени на сведениях о
квантово-механических свойствах физиологически активных молекул.
Как отмечалось, при характеристике электрических свойств живых
тканей следует учитывать, что они являются комбинированными (композиционными) средами, поскольку одни структурные элементы обладают
свойствами проводников, а другие – диэлектриков.
Электропроводность органов и тканей связана с присутствием в них
ионов, которые являются свободными зарядами, создающими в организме
ток проводимости под действием электромагнитных полей, генерируемых
как внешними источниками, так и живыми клетками. Электропроводность
живых тканей определяется прежде всего электрическими свойствами крови, лимфы, межклеточной жидкости и цитозоля, содержащих большое количество воды, ибо электропроводность воды гораздо выше, чем других
структур организма. Удельная электропроводность () указанных электролитов составляет 0,1-1,0 Смм-1. Подвижность ионов в биологических жид-
костях имеет приблизительно такую же величину, как и в растворах соответствующих солей, приготовленных на основе дистиллированной воды.
Постоянный ток распространяется в средах организма по пути наименьшего
сопротивления: по межклеточным пространствам, кровеносным и лимфатическим сосудам.
Говоря о разной электропроводности биологических объектов, содержащих мало или много воды, следует иметь в виду, что электропроводность самой воды ничтожна. Так, у дистиллированной воды при комнатной
температуре удельная электропроводность составляет 10-5–10-4 Смм-1, а у
воды, перегнанной в вакууме, и того меньше – 10-7 Смм-1.
72
Растворение в воде солей резко повышает электропроводность.
Например, изотонический раствор хлорида натрия в воде (0,85 %) при температуре тела человека (около 37 С) имеет удельную электропроводность
0,15 Смм-1.
По данным [3], примерно такой же удельной электропроводностью
обладают биологические жидкости, не содержащие клеток: плазма крови и
ликвор – 1,5 Смм-1, желчь – 1,7 Смм-1.
За счет форменных элементов (эритроцитов, лейкоцитов, кровяных
пластинок) цельная кровь обладает меньшей удельной электропроводностью, чем кровяная плазма 0,5–0,7 Смм-1. Но даже эта величина превосходит значения, характеризующие электропроводность внутренних органов.
Электропроводность конкретных внутренних органов на 4-6 порядков
ниже электропроводности жидкостей, выделенных из них. Причиной указанного являются малые объемы, занимаемые свободными электролитами в
органах и тканях живых организмов.
В клетках электролиты заключены в мельчайшие отсеки (компартменты), образованные биологическими мембранами, составляющими более
50 % массы клетки. По существу каждая клеточная органелла представляет
собой компартмент. Ее содержимое и окружающий цитозоль обладают относительно высокой электропроводностью, тогда как разделяющая их биомембрана является типичным диэлектриком.
В тканях, содержащих меньше воды (костном, головном и спинном
мозге), величина проводимости ниже, чем в биологических жидкостях.
Ткани, содержащие незначительное количество воды (жировая, костная, нервы, сухожилия), в обычных условиях имеют очень низкую проводимость,
т.е. высокое сопротивление электрическому току (табл. 3.1).
Изучение электропроводности разных слоев кожи человека показало,
что ионная электропроводность носит термоактивационный характер. Величина тока зависит от напряжения по экспоненциальному закону. Концентрация ионов натрия, участвующих в электропереносе, составляет 71016
73
Ткань
, Ом см, при f, Гц
10
20
100
1000
10000
Жир – – – 1500-5000
Легкое
11
1040
950
Мышцы
965
414
880
830
760
Печень
840 - 800
765
685
Сердечная
мышца
965 - 925
845
600
см-3, а их подвижность 10-3 см2/(Вс). Напряженность электрического поля
в биологических мембранах достигает 105 В/см при толщине мембраны
10 нм и напряжении ~100 мВ.
Таблица 3.1
Зависимость удельного электрического сопротивления некоторых
тканей человека от частоты f при температуре 37 °С
Живым тканям свойственна зависимость электропроводности от ча-
стоты воздействующего электромагнитного поля, то есть дисперсия электропроводности. Дисперсией какого-либо физического параметра называется его частотная зависимость. С повышением частоты электропроводность
тканей возрастает. Дисперсия электропроводности особенно ярко проявляется в низкочастотном диапазоне.
На низких частотах (до десятков килогерц) ионный ток протекает
только через внеклеточную среду, которая и определяет проводимость ткани. Заряжающиеся емкости клеточных мембран обусловливают значительную диэлектрическую проницаемость. С увеличением частоты за счет
уменьшения емкостного сопротивления мембран внутриклеточная среда
начинает принимать участие в проведении ионного тока, что приводит к
увеличению общей проводимости тканей.
200 кГц почти в 20 раз больше, чем при токе частотой 40 Гц (рис. 3.5). Аналогичная закономерность установлена и для печени крысы. На средних частотах дисперсия электропроводности обычно выражена относительно сла-
По данным [15], электропроводность мозга кролика при токе частотой
74
1
2
3 4 5
lgf, Гц
lg,
мкСм
1
2
2
бо, а на высоких – снова проявляется довольно отчетливый рост. Например,
при изменении частоты электромагнитного поля от 25 МГц до 8,5 ГГц сопротивление скелетной мышцы снижается примерно в 10 раз.
Рис. 3.5. Дисперсия электропроводности: 1 – мозга кролика; 2 – печени
крысы [15]
Дисперсия электропроводности присуща всем средам и объектам, а не
только биологическим системам. Она наблюдается обычно в том диапазоне
частот электромагнитного поля, которые соответствуют характеристиче-
ским частотам 1/
, где
рел
– время релаксации заряженных частиц,
рел
входящих в состав той или иной среды. Однородные среды образованы ча-
стицами с близкими значениями , поэтому дисперсия электропроводности
в них выражена слабо.
Дисперсия электропроводности живых тканей не является специфическим свойством биологических систем. Их характерная особенность состоит в том, что дисперсия проявляется гораздо отчетливее, чем у сред с
менее сложной организацией, и обнаруживается в широком диапазоне частот. Это обусловлено сложной мембранной структурой живых тканей и
большим разнообразием времен релаксации имеющихся заряженных частиц. Разнообразие связано с различием в размерах частиц и влиянием на их
подвижность биологических мембран. Повреждение клеточных мембран
стирает грань между тканями и органическими электролитами. Это приво-
75
дит к росту электропроводности живых сред и проявляется в снижении
дисперсии электропроводности на низких частотах.
3.4. Диэлектрические свойства живых тканей
Как отмечалось выше, ткани живого организма разнородны, поэтому
они характеризуются разной электропроводностью и относительной диэлектрической проницаемостью. Последняя определяет величину электрической емкости и является мерой поляризуемости среды.
При взаимодействии электрического поля с тканями организма в них
происходят биофизические изменения: линейное или маятникообразное
движение ионов, ориентация дипольных молекул или их поворот вокруг
своей оси, увеличение токов проводимости и токов смещения. Возникают
потери сквозной проводимости и поляризационные потери. В тканяхпроводниках преобладают потери, связанные со сквозной проводимостью.
В тканях-диэлектриках преобладают потери, связанные с различными видами поляризации. Потери электрической энергии в тканях зависят от диэлектрических свойств и температуры, а также от частоты переменного тока
или электромагнитного поля.
Диэлектрические свойства живых тканей обусловлены присутствием
в них воды ( 81) и растворенных в ней макромолекул, а также компартментализацией клеточных структур. Согласно ионной теории возбуждения
П.П. Лазарева, жизнедеятельность органов, тканей и клеток тесно связана с
электрическими явлениями, биоэлектрическими потенциалами. Каждая
клетка является генератором электричества. В состоянии равновесия поток
катионов Na+ и К+, перемещающихся через биологические мембраны, уравновешен. За счет избирательной проницаемости биомембран имеет место
асимметрия ионного транспорта. Это приводит к тому, что в покое внутренняя поверхность мембраны заряжена отрицательно, наружная – положительно. Таким образом создается потенциал покоя.
76
При раздражении (например, электрическим током) распределение
ионов в цитоплазме изменяется, происходит кратковременное повышение
проницаемости биомембран. Для ионов Na+ проницаемость становится
примерно в 25 раз больше, чем для ионов К+. При этом наружная поверхность мембран приобретает отрицательный заряд, внутренняя – положительный. Следовательно, изменение концентрации зарядов на мембранах,
вызванное электрическим током, ведет к соответствующему изменению полярности этих участков – возбуждению (потенциал действия). Кроме ионов
натрия и калия в генерации возбуждения принимают участие катионы кальция и анионы хлора. Дальнейшее распространение возбуждения происходит
за счет локальных токов, возникающих между возбужденным и невозбужденным участками мембраны. При этом потенциал действия возникает, когда деполяризация достигает критического значения для данной клетки. В
участке, который ранее был возбужден, происходит восстановительный
процесс – реполяризация. Восстановление полярности мембраны требует
затраты энергии для работы калий-натриевого насоса, что сопровождается
активизацией метаболизма и повышением расхода АТФ.
Компартментализация, обеспечивающая оптимальные условия для
внутриклеточных биохимических процессов, придает живым тканям сегнетоэлектрические свойства. Недавно доказано, что физические среды, в которых чередуются слои с очень низкой и высокой проводимостью, обладают сегнетоэлектрическими свойствами, если по обе стороны каждого слоя с
низкой электропроводностью присутствуют разноименные электрические
заряды. Такие структуры подобны доменам с одинаковой ориентацией
электрических дипольных моментов. Цитозоль и содержимое многих органелл обладают относительно высокой проводимостью (0,5-1,0 Ом-1·м-1), а
биологические мембраны – крайне низкой (10
-11
Ом-1·м-1). Поэтому каждая
органелла, на мембране которой поддерживается разность потенциалов
между цитозолем и ее содержимым, имеет значительный дипольный момент и подобна домену в сегнетоэлектрике. За счет таких компартментов,
77
x
f
32
8 rkT
обладающих внутренним электрическим полем 103 В/см (созданным пространственно разделенными разноименными зарядами), живые ткани обладают высокой величиной относительной диэлектрической проницаемости .
Относительная диэлектрическая проницаемость живых тканей зави-
сит от макроструктурной, поверхностной, дипольной, ионной, электронной
поляризаций.
Как и у диэлектриков, относящихся к неживой материи, у биологиче-
ских объектов существует дисперсия , т.е. ее зависимость от частоты поля.
На такой зависимости обычно наблюдаются участки, характеризующие
наличие разных видов поляризации и характеристических частот (времен)
релаксации процессов поляризации. Характеристическая частота fx зависит
от ряда факторов:
, (3.19)
где k – постоянная Больцмана, T – температура, – вязкость среды, r – радиус поляризующегося элемента (макромолекулы, диполя и т.п.). Применительно к диполям, т.е. полярным молекулам, fx соответствует максимальной
частоте внешнего электромагнитного поля, которую они способны воспроизвести своими поворотами в нем. За счет таких поворотов (ориентации)
достигается максимально возможная компенсация внешнего поля собственным электрическим полем диэлектрика. Важно, что полярные молекулы
одинаковых размеров, пребывая в средах с разной вязкостью, обладают неодинаковой характеристической частотой. Поскольку емкость любого конденсатора пропорциональна величине , зависимости C(T) и С(f) полностью
определяются зависимостями (Т) и (f) конкретного диэлектрика. Табл. 3.2
иллюстрирует зависимость относительной диэлектрической проницаемости
и удельной электропроводности некоторых тканей человека от частоты
внешнего электрического поля.
78
f, МГц
Кожа
Жир
Мышцы
ε
, Ом-1м-1
ε
, Ом-1м-1
ε
, Ом-1м-1
25
150
0,65
127
0,020
115
0,666
50
100
0,70
125
0,029
90
0,768
100
75
0,75
7,5
0,033
73
0,87
200
57
0,80
6,5
0,050
56
1,0
400
48
0,85
6,0
0,059
53
1,14
700
45
0,95
6,0
0,067
52,5
1,31
1000
44
1,10
6,0
0,100
50,5
1,35
1500
43,5
1,3
6,0
0,1 11
50,0
1,42
3000
42
2,4
6,0
0,167
47,0
2,22
5000
40,5
4,0
5,5
0,222
44,0
4,35
7000
39
5,0
4,95
0,333
42,0
6,67
8500
37
7,0
4,5
0,370
40,0
8,33
Диапазон изменения характеристической частоты fх [соотношение
(3.19)] различных внутриклеточных компартментов находится в пределах
от долей герц до 1 кГц. Поэтому поляризационные процессы в компартментах вносят основной вклад в диэлектрические свойства живых тканей именно на низких частотах.
Таблица 3.2
Частотная зависимость относительной диэлектрической проницаемости ε
и удельной электропроводности некоторых тканей человека
На более высоких частотах диэлектрические свойства биологических
объектов определяются ориентацией полярных макромолекул, сосредоточенных как в цитозоле, так и в клеточных мембранах. В СВЧ-диапазоне основной вклад в диэлектрические свойства вносит поляризация молекул воды. Характеристическая частота релаксации внутриклеточной воды такая
же, как дистиллированной (fх 20 ГГц).
Неодинаковая частота релаксации разных компонентов живых тканей, способных поляризоваться в электромагнитном поле, обусловливает
неравномерный ход кривой дисперсии относительной диэлектрической
проницаемости. Кривая, приведенная на рис. 3.6, иллюстрирует зависи-
мость скелетной мышцы от частоты электромагнитного поля (ЭМП). С
79
3
2
lg
1
2
3
4
lg f, Гц
увеличением частоты поля биологического объекта уменьшается, образуя
три зоны дисперсии (, , ), где кривая изменяет свой характер.
Рис. 3.6. Дисперсия мышечной ткани [15]
Области низких и звуковых частот (до нескольких килогерц) соот-
ветствует -дисперсия. Этот участок обусловлен поляризацией внутриклеточных компартментов, с которыми связаны сегнетоэлектрические свойства
живых тканей. Из-за значительной инерционности релаксационных процессов в доменах-компартментах ориентация этих гигантских “диполей” запаздывает относительно переменного напряжения внешнего ЭМП даже на
низкой частоте, что проявляется в уменьшении по мере роста частоты.
Определенный вклад в -дисперсию вносит релаксация заряда на
фасциях, внутриорганных соединительно-тканных прослойках, клеточных
поверхностях. Согласно работам [3, 11, 15], -дисперсия обусловлена
уменьшением поляризации на биологических поверхностях за счет перераспределения ионов в двойном электрическом слое. Переменный ток в
этом диапазоне частот проникает в глубоколежащие ткани, не вызывая раздражения кожи. Этот физический эффект используется в физиотерапии.
В диапазоне частот от 103 до 108 Гц наблюдается -дисперсия, которая характеризуется макроструктурной и дипольной поляризацией, а также
снижением ионной поляризации. При этом изменяются проницаемость и
80
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]