МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ, МОЛОДІ ТА СПОРТУ УКРАЇНИ ПРИКАРПАТСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ІМЕНІ ВАСИЛЯ СТЕФАНИКА
Реферат
на тему:
Електрика в живих організмах
Виконала: ст. групи Б-23
Сіщук Л.О.
Перевірив:
Івано-Франківськ 2014
ЗМІСТ
Вступ
Електричний струм і органічні системи.
Провідники. Типи електропровідності.
Теорії електропровідності органічних систем
Електронна теорія існування живого
Електричний струм і органічні системи
Поняття про потенціал. Біоелектричний струм.
Біоелектрика 3.1 Поняття про біоелектрику 3.2 Класична біоелектрика 3.3 Біоелектрика в сучасному розумінні 3.4 Вивчення біоелектричних потенціалів в окремих клітинах 3.5 П’єзоефект
Електрика в живих організмах 4.1 Що пов’язує електрику і бактерії? 4.2 Зелена електрика 4.3 Електрика в тваринних організмах
Вступ З покон-віків людина цікавилась всіма явищами що оточували її. Спочатку це були прості питання: «Чому іде дощ?», «Куди впадають ріки?», «Чому взимку холодно?». З новими відповідями з’являлись все нові і нові запитання, часом не зовсім коректні, іноді заборонені законами чи релігією. Та людська цікавість завжди брала гору, і саме їй ми завдячуємо сучасним широким спектром знань в різних галузях. Думаю, однією з найцікавіших наук є біоніка. Народилася вона в результаті злиття фізики, біології та інженерії в одну галузь. Ідея застосування знань про живу природу для вирішення інженерних завдань належить Леонардо да Вінчі, який намагався побудувати літальний апарат з махаючими крилами, як у птахів: орнітоптер. Завдяки біоніці люди навчились ствлоювати надійні брудо- і водовідштовхуючихі покриття, сонари, радари та проводити ультразвукову діагностику. Одним з найпрогресивніших розділів Біоніки є біоелектрика.
Електричний струм і органічні системи. 2.1 . Типи електропровідності.
Для виникнення та існування електричного струму необхідна наявність вільно заряджених часток, що рухаються направлено. Залежно від роду провідника ці заряджені частинки різні, а значить,різні і типи провідності. Існують декілька видів провідності -- електронна, діркова, електронно-діркова і іонна провідності.
Електронна провідність - це спосіб провідності, притаманний більшоюступеня металів, а також деяким з'єднанням і речовин. Для ньогохарактерна наявність вільних заряджених частинок - електронів, за допомогоюяких за певного факторі - наявності електричного поля - виникаєелектричний струм. При електронній провідності опір провідниківпрямо пропорційно залежить від температури. Залежність ця виражаєтьсялінійною функцією.
Електронно-діркова і діркова провідності властиві штучним напівпровідникам. Чисті напівпровідники починають проводити струм при дії зовнішніх факторів: світловому, радіаційному опроміненні і нагріванні. Для надання певного типу провідності в кристал чистого напівпровідника вводять невелику кількість речовини, після чого в даномукристалі є або надлишок електронів або їх нестача. У першому випадку електрони стають переносниками заряду, у другому цю роль відіграють валентні місця - дірки.
2.2 Теорії електропровідності органічних систем
З розвитком органічної хімії почалося виробництво речовин, у яких були відсутні вільні електрони. Ці речовини були визнані хорошими ізоляторами (їх протиставляли фарфору та склу). У той час відомі були тільки неорганічні напівпровідники. Їх і використовували в техніці, поступово вивчаючи їхні властивості. Органічні речовини вважали в основному тільки ізоляторами, які як не можна краще підходили для електротехніки. Їх було легко виготовити, були простими у вживанні і в той же час дуже надійними. Але з часом при подальших дослідженнях уявлення про органічних речовинах як про ізолятори змінилося, оскільки були знайдені речовини зі своєрідною формою електропровідності. Першою такою речовиною став антрацит, при дії на нього світла, провідність його починає різко збільшуватися. Слідом за цим дивовижним явищем були виявлені і інші особливості деяких матеріалів, як, наприклад, залежність провідності від тиску, вологості, проникаючої радіації.
Зарядоносіями можуть виступати як електрони, так і дірки, як було сказано вище. При чому діркова провідність, як і у неорганічних напівпровідників обумовлюється присутністю дуже сильного акцептора електронів (в органічних системах цю роль грає абсорбований кисень).
Електронну провідність надають ланцюжка атомів вуглецю, з'єднаних простим зв'язком. У цих системах електрони стають не пов'язаними з атомами, тобто вони можуть відриватися, створюючи єдину електронну систему. Однак деякі речовини, що мають простий зв'язок між атомами вуглецю, не створюють вільних електронів.
Вивчення неорганічних і органічних напівпровідників показало, що в них виникають наступні види зарядоносіїв: а) атоми, які, втративши свій електрон із зовнішньої оболонки,стають позитивно зарядженими частинками і беруть участь в перенесенні позитивних зарядів; б) звільнені при цій зміні електрони, які стають носіями зарядів; в) іонізовані атоми-акцептори, тобто атоми, які захопили у сусіднього атома електрон; вони теж є негативно зарядженими частинками і беруть участь в перенесенні негативних частинок; г) дірки, що утворилися при захопленні у атома валентних електронів; вони починають притягувати електрони від сусіднього атома і стають своєрідними носіями позитивного заряду
Значно більше видів руху зарядоносіїв у органічних напівпровідників. Тут їх переміщення являє собою поєднання складних явищ, одне з яких обумовлено «блукаючими» по молекулі електронами. Так як молекули різні, то і зв'язки їх з електроном різні.
Електронна теорія існування живого
Реаниматология - наука про порятунок життя досягла дуже багатьох успіхів, і пов'язана вона з активністю серця. Існують прилади,здатні реєструвати біоелектричну активність серця. І ось один із працівників реанімації зробив наступне спостереження: життя людини згасає,але крива, що характеризує електричну активність серця, зберігає свою форму. Поки зберігається електрична активність серця, боротьба за життя триває, і в багатьох випадках її вдається врятувати.
Що ж відбувається, коли настає смерть? З'являються зміни електричної активності (що фіксуються кардіограмою), які дуже швидко наростають, а потім електрична активність зникає. Безладні окремі електричні імпульси спостерігаються іноді протягом години. Число молекул і атомів (кількість речовини, з якої складаються тканини) залишилосяодним і тим же. З процесів змінився тільки рух зарядоносіїв --електронів та іонів. Може, в цьому полягає таємниця смерті і життя, і дуже ймовірно, що з часом дослідники встановлять закономірність руху зарядоносіїв з процесами життєдіяльності. Швидше за все, одна з головних відмінностей між живим і неживим як раз і полягає в інших молекулярних, атомних і міжмолекулярних електронних зв'язках. Відмінність може бути і в різній міграції електронів від молекули до молекули, у своєрідному русі іонів, в результаті чого з'являються особливий вид електропровідності і особливий вид поляризації, що характеризуються накопиченням зарядоносіїв ,фіксованих електрокардіограмою.
Найтонший механізм клітинної регуляції, енергетичних перетворень, швидкість реакції організму в цілому і окремих аналізаторів на зовнішні подразники, швидкість обробки інформації, оцінюється за значенням електричної активності, що можна пояснити наявністю в основі цих процесів руху зарядоносіїв, отже, змінами біоенергетичних явищ на рівні елементарних частинок. А найскладніші біохімічні обмінні процеси в клітині, перетворення різних видівенергії в клітині або в її елементах, як, наприклад, в мітохондріях, можна пояснити тільки тим, що перенесення енергії здійснюється частками, які володіють масою, меншою від маси атома. З виникненням живого організму будь-якого видуз'являються біоелектричні імпульси, які гаснуть із загибеллю організму. При чому електропровідність живих тканин розглядається як один з параметрів, що характеризують життєдіяльність, або головна відмінна ознака живого від неживого.
Підсумовуючи вище сказане, можна припустити, що молекули живого --це молекули, взаємопов'язані енергетикою руху зарядоносіїв, міграцією електронів, що володіють специфічною провідністю, властивою тільки живому організму.
2.4 Електричний струм і органічні системи
Електричні властивості живого організму були виявлені і стали предметом досліджень, проведених у середині 20 століття. І.П. Тишков провів перше дослідження електропровідності тіла живої людини. У своїй праці «Про опір людського тіла електричному струму», випущеноїв 1886р. він наводить чисельні значення опору, не розкриваючи його закономірності. Вчений Вебер, проводячи аналогічні дослідження, намагався довести, що тіло людини можна розглядати як соляний розчин або розчин звичайних електролітів. Це положення багато років приймалося за правильне, хоча багато фактів суперечать даним Вебера.
Пізніше, напередодні другої світової війни видатний угорський вчений Альберт Сцент-Дьордь висловив думку про важливість вивчення «Електричних властивостей» живих тканин та пізнанні електрофізики живогоорганізму. Блискуча ідея зіставлення властивостей гігантських біологічних молекул з властивостями напівпровідників, висунута ним викликала величезний інтерес у суспільстві. Адже життя є безперервний процес поглинання, перетворення та переміщення енергії різних значень і різних видів. Необхідно було з’ясувати механізм,що пояснює міграцію енергії вздовж молекул живого тіла. Таким механізмом ,що пояснює багато процесів живого є електронна теорія напівпровідників. Макромолекула живого багато в чому ідентична молекулі напівпровідника, хоча процеси в ній відбуваються набагато складніше. Тому, маючи централізовану систему аналізу і управління функціями окремих тканин, органів і організму в цілому, електричними імпульсами можна впливати на клітини,змінюючи їх провідності, а, значить, і інші властивості. Наприклад було знайдено речовину, здатну служити каталізатором деяких реакцій придії на нього електричного струму. Цією речовиною була гелеподобна матриця. При вивченні її властивостей було з'ясовано, що при подачі на неї незначного напруги (виробляється клітиною) відбувається істотне прискорення перебігу хімічної реакції. А раз була знайдена структура, яка вимагає саме електричну енергію, то необхідно знайти своєрідний генератор біоелектрики. Для пояснення цього явища необхідно звернутися до поняття потенціалу.
2.5 Поняття про потенціал в біоенергетиці
Найважливішу роль набуває поняття потенціалу в біоенергетиці,особливо у розкритті природи електричних явищ живого організму. Виходячиз того, що потенціал - інтегральне енергетичне поняття, розглянемо його складові - іонізаційний і біоелектричний. У життєдіяльності людини, безсумнівно, має значення і біомагнітний потенціал.
Розглянемо елементарну систему - атом водню. Навколо ядра атома переміщається по певній оболонці електрон,що несе негативний заряд електрики. Електрон утримується на орбіті поблизу атомного ядра, що має позитивний заряд, силами електростатичного притягання. Для того, щоб видалити електрон із системиатома водню, потрібно затратити енергію. Енергія вимірюється в електрон -вольтах . Позбавлений електрона атом водню перетворюється в позитивно заряджений іон, взаємодія якого з речовиною буде іншою.
Загальне визначення потенціалу. Потенціал - це скалярна величина, що чисельно дорівнює енергії одиниці точкового позитивногоелектричного заряду в даній точці. Він дорівнює роботі, яку здійснюють при переміщенні одиниці електричного заряду з розглянутої точки в точку,потенціал якої умовно приймається рівним нулю. На відрив електронів від системи атома або молекули потрібні різні енергії. У середньому енергія зв'язку дорівнює 30-50 еВ. У тканини живого організму енергія зв'язку електрона з ядром у багато разів менше цієї величини і в ряді випадків складає долі електрон-вольта.
Іонізаційний потенціал - одне з уживаних і простих понять. Але з іонізацією, що відбувається в живому організмі все відбувається набагато складніше, хоча вона й обумовлює обмінні процеси живого організму. Складність полягає в тому, що значення біопотенціалу в химерно організованих молекулах живого організму іноді дуже мало - не перевищує сотих часток еВ, а електрон-вольт сам по собі дуже мала величина. І вимірювати настільки мізерну енергію зв'язку вкрай складно.
У біологічних системах електрони мають мінімальні значення енергії, коли вони пов'язані з киснем у молекулі води. З енергетичної точки зору вода - основа життя всього організму. Тому можна прийняти її іонізаційний потенціал за вихідний і вести відлік енергії від нього. Щодо значення іонізаційного потенціалу води можна знайти значення потенціалів всіх біологічних сполук. Вийде шкала іонізаційних потенціалів - її ще називають шкалою біопотенціалів. Під іонізаційним потенціалом розуміють енергію того електрона, у якого енергія зв'язку мінімальна.
Таким чином, біопотенціал - це іонізаційний потенціал біологічних сполук, що характеризується винятково малим значенняменергії зв'язку. Але взаємодія між елементарними частинками на цих рівнях енергії обумовлюють макроявища, що виражаються, зокрема, сумарною біоелектричної активності, при якій різниця потенціалів досягає одиниць міллівольт. Зміни ж цієї різниці відображають нормальні і патологічні процеси, що виникають в організмі. Різниця потенціалів свідчить про реакцію організму на фактори зовнішнього середовища.
Особливістю електрофізичних властивостей білкових та інших біооб'єктівє також величезна рухливість носіїв зараду. Велике значення мають вуглецево -кисневі і азотно-водневі зв'язки. У такій системі водневих зв'язків збуджений електрон за допомогою тунельного ефекту може проникати через потенційний бар'єр, а отже, мігрувати по всій системі білкової молекули. Це призводить до значного зміщення електрона і обумовлює його рухливість, роблячи білкову систему високопровідною.
Біоелектрика. 3.1 Поняття про біоелектрику
Біоелектрика – електричні явища і процеси, що виникають в живих тканинах організму. Також - вплив електричного струму на живі тканини. Біоелектрика – природні електричні процеси в живих організмах, що лежать в основі багатьох фізіологічних і поведінкових реакцій. До проблем біоелектрика відносять також всі ефекти, що виникають в організмі на різних його рівнях при впливі електрики від зовнішніх джерел. Дослідження біоелектрики має велике значення для розуміння фізико-хімічних і фізіологічних процесів у живих системах і застосовується в медицині з діагностичною метою (електрокардіографія, електроенцефалографія, електроміографія та ін.). Біоелектричні потенціали - біоелектричні явища, електричні потенціали у тканинах і окремих клітинах людини, тварин і рослин, найважливіші компоненти процесів збудження і гальмування. Біопотенціал - різниця потенціалів між двома точками живої тканини, що відображає її біоелектричну активність; біопотенціал служать джерелом інформації про стан і функціонування різних органів. Електричний сигнал можна виміряти, підвівши провідники до будь яких точкок тіла. У людини зазвичай досліджують електричні сигнали трьох видів. Електроенцефалографія реєструє відносно слабкий, швидко змінюється сигнал в головному мозку. Записувана при цьому крива - електроенцефалограма (ЕЕГ) - використовується в дослідницьких і діагностичних цілях. Яка конкретна фізіологічна роль цього сигналу в нормі - невідомо. Електрокардіографія реєструє біоелектричний потенціал працюючого серця; електричний сигнал в цьому випадку приблизно в 100 разів могутніше. Електричні сигнали регулюють роботу серця. Електрокардіограма (ЕКГ) широко використовується для діагностики серця. Сигнал третього виду, поверхневий електричний потенціал, порівняємо за величиною з генеруються серцевим м'язом, але змінюється повільніше. Його походження і роль невідомі
3.2 Біоелектрика в класичному розумінні Електрика у риб люди виявили ще в глибоку давнину. Наприклад, стародавні греки остерігалися зустрічатися у воді з рибою, яка, як писав Аристотель, "змушує ціпеніти тварин". Риба, що наводили страх на людей, була електричним скатом і носила ім'я "Торпедо". І тільки двісті років тому вчені почали відкривати природу електрики в живих організмах. Перші наукові дані про існування біоелектрики ("тваринної електрики") були отримані в 3-й чверті . ХVIIIст. при вивченні природи "удару", що завдається деякими рибами з електричними органами при захисті або нападі. У червні 1772 член Королівського товариства і англійського парламенту сер Джон Уолш приїхав до Франції з лейденською банкою і дав місцевим рибалкам можливість відчути красу її фізіологічного впливу, запитуючи при цьому, схоже воно з впливом наркових скатів. Відповіді були одностайно ствердними. Вплив ската передавалося через замкнуту ланцюг людей і припинялося при найменших розривах ланцюга або при включенні в неї ізоляторів. За допомогою у вирішенні цього складного питання Джон Уолш звертається до найлегендарнішого фізика Великої Британії - Генрі Кавендіша, людини, що незадовго до цього експериментально перевірила закон, який пізніше був названий ім'ям Кулона. Кавендіш виготовив дипольну модель, яка імітує ската. Використовуючи батарею з 49 лейденських банок, з'єднаних в сім паралельних стовпів, вдалося викликати фізіологічний ефект від моделі не тільки в повітрі, а й у морській воді. Так в 1773 році Уолш за допомогою Кавендіша довів електричну природу розрядів електричних риб. Кавендіш припустив, що електричні органи являють собою батарею з великої кількості маленьких слабко заряджених лейденських банок. Описуючи шлях протікання струмів в провідному середовищі, він запропонував ідею силових ліній і першим зобразив електричне поле ската. У 1780 році італійський фізіолог, професор анатомії Луїджі Гальвані виявив, що якщо до ізольованого м'язу жаби доторкнутися одночасно двома різними металевими предметами, то м'яз скоротиться. Гальвані з подивом переконався в тому, "що скорочення були різні згідно відмінності металів, саме у випадку одних - сильніше і швидше, а у випадку інших - слабше і повільніше". Було чому дивуватися: до цього ніяких відмінностей електричних властивостей металів фізики не відзначали. Здатність м'язів препарованої жаби скорочуватися під впливом електричного струму Гальвані пояснив існуванням «тваринного електрики». Те, чому здивувався Гальвані в перших дослідах, на сучасною мовою можна назвати адекватністю електростимуляції. Якщо кількість електрики настільки мала, що її майже не показують електроскопи, викликає яскраво виражений фізіологічний ефект, то стимул адекватний живому, тобто природа посилає через нерви в м'язи саме електричні імпульси. А значить, вона вміє їх генерувати. У 1791 Гальвані опублікував «Трактат про сили електрики при м'язовому русі». Дослідження почалися в 1780 році, а трактат вийшов тільки в 1791-му, і за ці 11 років було поставлено величезне число експериментів. У серії дослідів Гальвані відкрив, що вплив на нерви проявляється набагато сильніше, ніж на м'язи. Це затвердило його в тому, що процеси, що протікають в нервовій системі, мають електричну природу і що скорочення м'яза відбувається у відповідь на електричний сигнал, що проходить по нерву. Сигнал може виникати і довільно; наприклад, при приєднанні до нерва джерела електричного струму останній генерує нервовий сигнал, що запускає м'язове скорочення. У той же час Гальвані встановлює, "що всі частини розсічених тварин так чи інакше вільно проводять і легко пропускають електрику, імовірно внаслідок вологості, якою вони просочуються". Він розглядає м'яз як батарею лейденських банок, вказуючи, що електрика зосереджена на поверхні між внутрішньою порожниною м'язових волокон і зовнішньою. В якості суттєвої деталі цієї гіпотези Гальвані пропонує взяти до уваги, "що м'язове волокно, хоча на перший погляд і дуже просте, складається з різних як твердих, так і рідких частин, що обумовлює в ньому чимале розмаїття речовин". Проаналізувавши досліди Гальвані, фізик А. Вольта прийшов до висновку, що тварині органи, так само як і їх частини, лише пасивні провідники електрики. Тобто тваринної електрики, крім тієї що спостерігається електричних органах риб, не існує. Але для Гальвані, який упевнений, що джерело енергії знаходиться всередині організму, існування металевого електрики - всього лише привід модифікації фізіологічних дослідів. Однак Вольта залишається глухим до аргументів Гальвані навіть після того як у нових дослідах (опубліковані в 1797) той показав, що м'язи жаби скорочуються і в тому випадку, коли ніяким металевим предметом до них не торкаються - при з'єднанні стегнового нерва з м'язом відбувалося помітне скорочення м'язи , У свою чергу, прийшовши до заперечення тваринної електрики, Вольта продовжував працювати з широким колом живих організмів. Головні об'єкти інтересу - електричні органи вугрів і скатів. Він анатомує їх вісім років. При цьому думки весь час зайняті проблемою: чому два різнорідних металу, наприклад срібло і цинк, дають великий фізіологічний ефект, а дуга з одного металу діє слабо? Нарешті, Вольта, маючи перед очима кукурузоподобную структуру електричних органів, починає збирати в стопку гуртки срібла і цинку, прокладаючи їх змоченим сукном, і отримує Вольтів стовп. Інший варіант конструкції Вольтового стовпа - чашечки з електролітом і дротами різних металів. Електроцити прісноводних електричних вугрів дуже схожі на диски, а морських електричних скатів - на чашечки, звідси два базових варіанти. Так багаторічна наукова суперечка (1791-97) між Гальвані і Вольта про природу "тваринної електрики" завершилась двома великими відкриттями: Гальвані став основоположником вчення про біоелектрику, Вольта - основоположником електрохімічного джерела постійного струму - Вольтова стовпа (гальванічного елемента), прообразу всіх сучасних батарейок і акумуляторів . Сьогодні, через 200 з гаком років після описуваних подій, ми знаємо, що в організмі існує і власна електрика, і схожість не тільки електроцитів, а й звичайних м'язових волокон з батареями лейденських банок, і можливість порушення тканин без застосування різнорідних металів. З точки зору сучасної фізіології електричний розряд в електричних органах риб і електричні явища в м'язах і нервах якісно схожі. Більш того, фахівці сходяться в думках, що електричні органи - це модифіковані нервово-м'язові структури. Головна відмінність в тому, що в звичайних м'язах електрозбуждення окремих клітин ніби гасять один одного, а в електричних органах риб - складаються, дозволяючи з окремих електроцитів з напругою кілька десятків мілівольт скласти батарею, яка дає сотні вольт (у електричного вугра або сома). Однак правильна оцінка спостережень Гальвані стала можливою лише після застосування досить чутливих електровимірювальних приладів - гальванометрів. Перші такі дослідження були проведені італ. фізиком К. Маттеуччі (1837). Систематичне вивчення біоелектричних потенціалів було розпочато фізіологом Е. Дюбуа-Реймон (1848), який довів існування біоелектричних потенціалів в нервах і м'язах у спокої ("струм спокою") і при збудженні. Але йому не вдалося (в силу великої інерційності гальванометра) зареєструвати швидкі, що тривають тисячні частки секунд коливання біоелектричних потенціалів при проведенні імпульсів уздовж нервів і м'язів. "Токи дії", зміни біоелектричних потенціалів при порушенні, вивчав Герман (1870). Ці роботи спонукали більш докладно досліджувати "струми дії" таких великих учених, як. фізіолог Ю. Бернштейн (1886) і рос. фізіолог Н. Е. Введенський (1883). Н. Е. Введенський використовував для прослуховування ритмічних розрядів імпульсів в нерві і м'язі телефон. Французький учений Е. Ж. Марей (1875) застосував для запису коливань потенціалів серця, що б'ється капілярну електрометрію. І.П. Тишков провів перші дослідження електропровідності тіла живої людини. У своїй роботі «Про опір людського тіла електричному струму», випущеній в 1886р. він наводить чисельні значення опору, не розкриваючи його закономірності. Голландський фізіолог В. Ейнтховен (1903) ввів в експеримент і клінічну практику струнний гальванометр – високочутливий і малоінерційний прилад для реєстрації електричних струмів в тканинах. У 1907 нім. ученим Г. Піпером була здійснена електроміографія - метод дослідження і запису біоелектричних потенціалів, що виникають у скелетних м'язах тварин і людини при порушенні м'язових волокон. Значний внесок у вивчення біоелектричних потенціалів внесли рос. фізіологи: В. В. Правдіч-Немінський (1913-21) вперше зареєстрував електроенцефалограму, А. Ф. Самойлов (1929) досліджував природу нервово-м'язової передачі збудження, а Д. С. Воронцов (1932) відкрив слідові коливання біоелектричних потенціалів , що супроводжують потенціал дії в нервових волокнах. Подальший прогрес у вивченні біоелектричних потенціалів був тісно пов'язаний з успіхами електроніки, що дозволили застосувати в фізіологічному експерименті електронні підсилювачі і осцилографи (роботи амер. фізіологів Г. Бішопа, Дж. Ерлангера і Г. Гассер в 30-40-х рр. 20в.). Приблизно до початку 1940-х років термін «біоелектрика» використовували в тих випадках, коли мова йшла про нейрофізіологічні дослідженнях, про виміри описаних вище електричних сигналів у людини або (головним чином в історичному контексті) про застосування електрики в терапії. Пізніше перед початком другої світової війни видатний угорський вчений Альберт Сцент-Дьёрдьі висловив думку про важливість вивчення «електричних властивостей» живих тканин у пізнанні електрофізики живого організму.
3.3 Біоелектрика в сучасному розумінні Всі прояви життєдіяльності організму залежать від складних послідовностей хімічних реакцій, в основі яких лежить, зокрема, явище електрики. Іноді відповідні процеси можна вивчати, не розглядаючи ці сили в явному вигляді. Такий підхід цілком застосуємо при дослідженні, наприклад, регуляції експресії генів або механізму імунної відповіді. Труднощі, з якими стикаються дослідники, коли намагаються пояснити принаймні деякі біологічні явища - виходячи виключно з біохімічних концепцій, змушують їх звернутися до біоелектричнимх факторів. Сучасні уявлення про природу біоелектричних полів зароджуються в кінці XIX - початку XX століть. Вчений Вебер, проводячи слідом за І.П. Тишковим дослідження електропровідності тіла живої людини, намагався довести, що тіло людини можна розглядати в якості соляних розчинів або звичайних електролітів. Це положення багато років приймалося за вірне, хоча багато фактів суперечать даним Вебера. Перша достатньо сувора гіпотеза була висунута Чаговця (1896), який запропонував розглядати їх як дифузійні потенціали, пов'язані з нерівномірним розподілом іонів. Основи сучасних уявлень про механізми генерації біоелектричних полів були закладені Ю. Бернштейном (1902 - 1912)., що пoв’язував їх виникнення з властивостями поверхневої мембрани клітини. У сорокових роках угорський біохімік Альберт Сцент-Дьйорд і прийшов до висновку, що феномен життя не можна належним чином пояснити просто наявністю якихось хімічних речовин: необхідно, щоб ці речовини перебували в певному електричному стані. Відповідно до цієї точки зору, живі й мертві тварини розрізняються за своїм біоелектричним, а не біохімічним статусом. Блискуча ідея зіставлення властивостей гігантських біологічних молекул з властивостями напівпровідників, висунута А. Сцент-Дьйордіі викликала величезний інтерес. Адже життя є безперервний процес поглинання, перетворення та переміщення енергії різних значень і різних видів. Необхідний механізм, що пояснює міграцію енергії вздовж молекул живого тіла. Такий механізм, що пояснює багато процесів живого - це електронна теорія напівпровідників, розроблена в теорії твердого тіла. Макромолекула живого в цілому рівнозначна молекулі напівпровідника, хоча явища, що відбуваються в ній протікають набагато складніше. Тому, маючи централізовану систему аналізу та управління функціями окремих тканин, органів і організму в цілому, а саме - мозок, електричними імпульсами можна впливати на клітини, змінюючи їх провідності, а, значить, і інші властивості. Наприклад було знайдено речовину, здатну служити каталізатором деяких реакцій при дії на нього електричного струму. Цією речовиною була гелеподібної матриця. При вивченні її властивостей було з'ясовано, що при подачі на неї незначного напруги відбувається істотне прискорення перебігу хімічної реакції. А раз була знайдена структура, яка вимагає саме електричну енергію, то необхідно знайти своєрідний генератор біоелектрики. Ідеї А. Сцент-Дьйордіі привели до відродження інтересу до біоелектрики. Одним з перших результатів нових досліджень у цій області стало виявлення п'єзоелектричних властивостей кісткової тканини, тобто генерації в ній електрики при механічному впливі (наприклад, при навантаженні під час ходьби). Відомо, що якщо кісткова тканина не відчуває регулярного механічного навантаження, то її механічні властивості втрачаються. З розробкою мікроелектродної техніки стало можливим вивчення біоелектричних полів в окремих клітинах і волокнах. Важливе значення для з'ясування механізмів генерації вивчення біоелектричних полів. Вивчення іонної проникності мембрани гігантських нервових волокон дозволило англ, фізіологам А. Ходжкіна, А. Хакслі і Б. Катцу (1947-52) сформулювати сучасну мембранну теорію збудження, прийняту в даний час майже всіма електрофізіології. До шестидесятих років науковим співтовариством було встановлено два фундаментальних положення: 1) електрична активність властива не тільки тваринам, але і всім іншим біологічним об'єктам; 2) багато форм електричної активності, що спостерігаються у тварин, мають місце і в інших організмів.
3.4 Вивчення біоелектричних потенціалів в окремих клітках і волокнах Величезний теоретичний і фактичний матеріал, накопичений до теперішнього часу, дозволяє говорити про велику різноманітність біоелектричних потенціалів. В основному вони відрізняються у різних об'єктів за двома параметрами: 1) амплітуді і 2) частотним характеристикам. Що стосується амплітуди, то розкид величин дуже високий. Якщо розряд електричних риб може досягати 800 вольт, і це достатньо для того, щоб убити або, принаймні, відлякати дрібну тварина, то, наприклад, реєстровані з поверхні голови людини біопотенціали мозку (електроенцефалограма) мають зазвичай величину порядку декількох мікровольт. Не менш варіабельні і частотні характеристики біоелектричних потенціалів. Тут ми зустрічаємося з практично постійними в часі величинами. Такі, наприклад, потенціали, що відводяться від поверхні рослин у спокої, від поверхні шкіри і ін. З іншого боку, мають місце дуже швидкі коливання біоелектричних. Так, в серії нервових імпульсів хребетних тривалість кожного з них може становити всього кілька мілісекунд. Така різноманітність проявів біоелектричної активності неодноразово спонукало створити класифікацію біоелектричних потенціалів. Проте всі класифікації грунтувалися зазвичай на чисто зовнішніх ознаках, без достатнього врахування природи спостережуваних електричних явищ. Вперше можливість створення цілком доцільної класифікації біоелектричних потенціалів з'явилася після впровадження в практику електрофізіологічного експерименту мікроелектродної техніки. Стало зрозумілим, що електрична активність клітини визначається в основному іонними процесами, що відбуваються на поверхневій плазматичній мембрані. Відповідно до цього можна розрізняти два типи прояву електричної активності: 1) потенціали спокою (ПП), тобто різниці потенціалів між внутрішньоклітинним вмістом і зовнішнім середовищем (вони реєструються, коли один мікроелектрод вводиться усередину клітини, а інший знаходиться зовні поверхневої мембрани; їх величина зазвичай становить кілька десятків мілівольт); 2) потенціали дії (ПД), тобто зміни ПП при процесі збудження.
3.5 п’єзоеффект Відомо, що біологічна мембрана являє собою рідкий п'єзокристал і функціонує за принципом індукції біологічного квазі-п'єзоелектричного ефекту. У фізиці існування пьезоеффекта відомо давно. Сьогодні сутність цього явища зводиться до того, що електричний заряд, нанесений на поверхню певним чином влаштованого кристала, викликає зміна кривизни його поверхні, а це, в свою чергу, призводить до перерозподілу заряду по поверхні і / або до зміни заряду на протилежній поверхні цього кристала. У твердих кристалах величина пьезоеффекта зазвичай дуже мала і важко визначувана через те, що зміна кривизни твердого кристала дуже невелика. Тим не менше, існують прилади, які діють з використанням пьезокристалла – наприклад, сенсорні датчики, що індукують звукові коливання при натисканні. Феномен зміни електричного потенціалу при натисканні на певні ділянки поверхні шкіри відомий вже давно і лежить в основі таких поширених способів лікування як акупресура і акупунктура. Крім того відомо, що ділянки шкіри розрізняються по електропровідності і за величиною індукованого тиском електричного потенціалу. Тобто сам факт існування біологічних квазі-п'єзоефектів в живому організмі (на макрорівні) вже не підлягає сумніву.
Для живої клітини одним із стимулів зміни кривизни та / або заряду клітинної мембрани є зовнішні по відношенню до неї впливу реакції, що протікають при взаємодії різних хімічних сполук з рецепторами. В останньому випадку часто виникають так звані "Кепи" - клітинна мембрана перебудовується так, що задіяні рецептори переміщаються один щодо одного і збираються разом. В результаті утворюються певним чином заряджені і сконструйовані ділянки клітинної поверхні (Сергєєв П.В., Шимановський Н.Л.). Цей факт, а також постійна зміна кривизни клітинної мембрани в процесі життєдіяльності клітини (наприклад, при розподілі), свідчать про те, що п'єзоелектричні ефекти в біологічних мембранах повинні бути більш виражені, ніж у твердому кристалі. Оскільки в клітині немає "порожніх місць", а також тому, що весь внутрішньоклітинний простір складається з молекул різного ступеня полярності, електричні та конформаційні ефекти, що виникли в результаті зміни кривизни або заряду цитоплазматичної мембрани, повинні передаватися у внутрішньоклітинний простір. З геометричних міркувань випливає, що локальні зміни кривизни поверхні мембрани повинні викликати перерозподіл зарядів і, отже, хімічних структур і клітинних органел, які перебувають в прилеглому конусі рідкого кристала цитозоля (ефект "місячної доріжки") і поширюватися на клітинні органели, включаючи ядро.
Механізм сприйняття клітинами електромагнітних полів пояснюється двома теоріями, причому обидві постулюють принципово нові процеси. Відповідно до першої з них, між нервовими клітинами можливі кооперативні взаємодії, залежні від електромагнітних полів; згідно з другою - сприйняття поля відбувається тільки в певних умовах, а саме при наявності у клітин особливого електричного статусу. Ще одна теорія пояснює зв'язок між впливом електромагнітного поля і розвитком того чи іншого захворювання: передбачається, що цей вплив викликає стрес, і якщо воно досить тривалий, то відбувається ослаблення імунної системи, відповідно знижуються адаптивні можливості організму і на цьому тлі легко виникає хвороба.
Електрика в живих організмах 4.1 Що пов’язує електрику і бактерії?
Так чи інакше, все в цьому світі працює на електриці: більшість живих організмів споживають як «паливо» цукор, необхідний для електрохімічних реакцій. Але деякі види бактерій, на відміну від інших форм життя на Землі, беруть енергію в чистому вигляді – вонибуквально харчуються електронами.
Біологам з Університету Південної Каліфорнії вдалося виявити бактерію Mariprofundus ferrooxydans PV-1, яка поглинає негативні частки безпосередньо з залізних електродів, без жодного цукру чи інших поживних речовин. Все просто: вставляєте електрод у землю, пускаєте по ньому струм і збираєте урожай мікроорганізмів, які приходять покуштувати електрики.
Вердикт такий – більше восьми видів бактерій, у тому числі з вельми видатними здібностями, можуть споживати й виділяти електрони. Наприклад, сотні тисяч бактерій можуть заплітатися в цілу «гірлянду» довжиною близько одного дюйма й поглинати кисень з морської води для енергії. Такі «нитки» можуть скріплювати ґрунт і виступати провідником електрики так само добре, як звичайний мідний дріт.
Ці властивості можна цікаво використовувати на практиці, створюючи різні корисні пристрої з автономним живленням, справжні «біомашини» – наприклад, «живі фільтри» для води або цілі мережі «біодротів» у ґрунті.