В живой ткани нет свободных электронов и поэтому она не может быть уподоблена металлическому проводнику, электрический ток в котором представляет собой упорядоченное движение свободных электронов.
Большинство тканей тела человека содержит значительное количество воды (до 65% по весу). Поэтому живую ткань можно рассматривать как электролит, т. е. раствор, разлагающийся химически при прохождении по нему тока, и, таким образом, считать, что она обладает ионной проводимостью. Иначе говоря, можно полагать, что перенос электрических зарядов в живой ткани осуществляется не свободными электронами, как это имеет место в металлических проводниках, а заряженными атомами или группами атомов — ионами.
В живой ткани имеет место явление межклеточной миграции (перемещения) энергии, т. е. резонансный перенос энергии электронного возбуждения между возбужденной и невозбужденной клетками. Поэтому можно предположить, что живая ткань обладает также электронно-дырочной проводимостью, свойственной полупроводникам, в которых перенос зарядов осуществляется электронами проводимости и дырками.
Таким образом, тело человека можно рассматривать как проводник особого рода, имеющий переменное сопротивление и обладающий в какой-то мере свойствами проводников первого рода (полупроводники) и второго рода (электролиты).
Бывает ли электричество в живых организмах
Дата публикации: 28 ноября 2019
Биоэлектричество относится к электрическим потенциалам и токам, которые возникают внутри живых организмов или производятся ими. Это результат преобразования химической энергии в электрическую. Такие потенциалы генерируются рядом различных биологических процессов и используются клетками для управления метаболизмом, проведения импульсов по нервным волокнам, для регулирования мышечного сокращения.
У большинства организмов биоэлектрические потенциалы различаются по силе: от одного до нескольких сотен милливольт. Наиболее важное различие между электричеством в живых организмах и типом электрического тока, используемого для производства света, тепла или энергии, заключается в том, что биоэлектрический ток представляет собой поток ионов (атомов или молекул, несущих электрический заряд), а стандартное электричество — это движение электронов.
Историческая справка
Биоэлектрические эффекты были известны с древних времён по активности таких электрических рыб, как нильский сом, электрический угорь. Сейчас измерение биоэлектрических потенциалов стало обычной практикой в клинической медицине. Но до XVII века европейские врачи и философы считали, что нервные импульсы передаются мозгу через какую-то органическую жидкость. Эксперименты двух итальянцев, врача Луиджи Гальвани и физика Алессандро Вольта, показали, что истинное объяснение нервной проводимости — это биоэлектричество.
В XIX веке Эмиль Дюбуа-Реймон, изобрёл и усовершенствовал приборы, способные измерять очень малые электрические потенциалы и токи, генерируемые живой тканью. Один из его учеников, немецкий учёный по имени Юлиус Бернштейн, полагался на гипотезу, что нервные и мышечные волокна поляризованы, с положительными ионами снаружи и отрицательными внутри, поэтому ток, который может быть измерен, — результат изменения этой поляризации. В начале XX столетья несколько британских исследователей определили химические вещества, участвующие в передаче информации между нервами и мышцами.
Потенциал клеточной мембраны
Все клетки животных обладают электрическими свойствами, обусловленными способностью клеточной мембраны поддерживать неравные заряды внутри и снаружи клетки. Клеточная оболочка полупроницаемая, это означает, что она образует селективный барьер для ионов, являющихся электрически заряженными атомами.
Таким образом, через мембрану накапливается две формы энергии:
- химическая (разница концентрации ионов);
- электрическая.
Клетки, способные к электрической активности, показывают потенциал покоя, равный примерно 50 милливольтам. Когда клетка активирована, потенциал покоя может внезапно измениться, результат — внешняя её сторона становится отрицательной, а внутренняя — положительной. Это состояние сохраняется короткое время, после чего всё возвращается в исходное положение покоя, так что «источник дипольного тока» существует очень маленький период времени.
Читайте также: Махровая ткань в челябинске
Эти токи, возникающие внутри активной мембраны, функционально значимы близко к месту их происхождения, но некоторые живые существа, такие как рыбы и медузы, эволюционно адаптировали этот случайный ток для фактического использования. Вырабатывающие электричество организмы обзавелись специальными органами, способными генерировать значительные разряды до 1 тыс. вольт, например, электрический скат. Кто-то из них пользуется своими способностями для самообороны, а для кого-то это способ добывать еду.
Электричество в организме человека
Все клетки используют свои биоэлектрические потенциалы, чтобы контролировать метаболические процессы, но некоторые специально используют токи для отличительных физиологических функций: нервные и мышечные клетки. Информация переносится импульсами (называемыми потенциалами действия), проходящими по нервным волокнам. Подобные импульсы в мышцах сопровождают мышечные сокращения. Среди других клеток, где специализированные функции зависят от поддержания биоэлектрических потенциалов, есть:
- рецепторы, чувствительные к свету, звуку, прикосновению;
- клетки, которые выделяют гормоны или другие вещества, участвующие в общем метаболизме.
Как дополнение к потенциалам, возникающим в нервных или мышечных клетках, науке известны относительно устойчивые или медленно меняющиеся потенциалы. Они возникают:
- там, где клетки были повреждены;
- когда большой орган непарный (полушария мозга, разные участки кожи);
- при активной работе железы (фолликулы щитовидки);
- специальных структурах во внутреннем ухе.
В организме человека накапливается и статическое электричество. Когда электронам некуда деваться, заряд накапливается на поверхностях до тех пор, пока он не достигнет критического максимума и не разрядится крошечной молнией. Хотя возникающая внезапная мышечная реакция неприятна, обычно она безвредна.
Биоэлектричество — одна из основных форм энергии в организме человека. Движущиеся потенциалы действия — это основа для центральных функций организма, от которых зависит:
- проводимость двигательных, вегетативных или сенсорных сообщений по нервам;
- сокращение мышц;
- функция мозга.
В частности, двигательные нервные сигналы приводят к сокращению мышц, вегетативные — контролируют дыхание и сердцебиение, сенсорные — собирают всю информацию из внешнего мира, включая предупреждения о повреждениях организма (боль). Измеряя биоэлектрические потенциалы в органах и тканях, люди сейчас могут диагностировать такие заболевания, как инфаркт миокарда, а также создавать беспроводные биоэлектрические записывающие устройства, которые используются в кибермедицине.
- В поселке Амдерма откроют ветродизельную электростанцию
- В России будут производить городской электромобиль
- Климатический саммит в Париже: итоги первой недели
- «EL Дилижанс» — первый серийный электромобиль в РФ
Вам нужно войти, чтобы оставить комментарий.
Башкирский государственный медицинский университет
Нормальная физиология
Теория
Биоэлектрические явления в живых тканях. Потенциал покоя
В 1949-1952 гг. Ходжкин, Хаксли и Катц модифицировали существовавшие ранее теории и экспериментально обосновали основные положения мембранно-ионной теории .
Согласно этой теории возникновение МП (мембранного потенциала) обусловлено:
- Разной концентрацией ионов калия, натрия, кальция и хлора внутри клетки и во внеклеточной среде.
- Разной проницаемостью мембраны клеток для этих ионов в покое и при возбуждении.
Состояние покоя — это такое состояние, когда отсутствует раздражающее действие на организм. Это состояние относительное, т.к. абсолютный покой не совместим с жизнью.
Деятельное состояние — это изменение состояния организма, возникающее под действием факторов внешней среды.
Раздражимость — это способность организма отвечать на действие раздражающих факторов изменением его структурных и функциональных свойств.
Возбудимость
Возбудимость — способность ткани отвечать на раздражение специализированной реакцией — возбуждением. Возбудимость является одной из форм раздражимости.
Читайте также: Текстуры ткани с картами
Возбудимыми тканями называются такие ткани, клетки которых способны в ответ на раздражение генерировать специфическую реакцию — возбуждение .
Возбуждение — это специализированная ответная реакция живого объекта на действие раздражителя, проявляющаяся в изменениях его определенных параметров.
К возбудимым тканям относятся:
Общие признаки возбуждения (присущи всем возбудимым тканям):
- Изменение уровня обменных процессов в тканях;
- Выделение различных видов энергии — тепловой, электрической.
Специфические признаки возбуждения (характерны для определенного вида тканей):
- Мышечная ткань — сокращение,
- Железистая — выделение секрета,
- Нервная — генерация и проведение нервного импульса.
- эпителиальная,
- соединительная ткани.
Физиологические свойства возбудимых тканей
Основными свойствами всех возбудимых тканей являются:
Лабильность (функциональная подвижность) — это способность ткани реагировать на различные воздействия с определенной скоростью, то есть способность воспроизводить определенную частоту раздражения.
Мерой лабильности является наибольшее число ответных реакций, которыми возбудимая ткань способна реагировать за единицу времени в соответствии с частотой приложенных к ней раздражений.
Проводимость — это способность ткани и клетки передавать возбуждение.
Раздражение — это процесс воздействия на живую ткань агентов внешней по отношению к этой ткани среды.
Раздражитель — это причина, способная вызвать ответную реакцию.
Классификация раздражителей
- физические,
- химические,
- физико-химические,
- биологические.
По биологическому значению раздражители делятся на 2 группы :
- Адекватные — раздражители, к воздействию которых ткани в процессе эволюции приспособлены в наибольшей степени.
- Неадекватные — раздражители, к воздействию которых возбудимые ткани специально не приспособлены.
Состав плазматической мембраны
- Липиды (в основном фосфолипиды),
- Белки (гликопротеины),
- Углеводы (мукополисахариды).
Липиды очень плотно упакованы в мембране, между ними нет практически никаких расстояний, поэтому мембрана плохо пропускает воду, практически непроницаема для ионов и других крупных молекул.
Белковые молекулы могут быть погружены в слой липидов с внеклеточной или с цитоплазматической стороны, либо могут целиком пронизывать мембрану.
Если белки прикреплены к поверхности мембраны, их называют периферическими. С внутренней стороны это будут белки-ферменты, а с наружной — белки-рецепторы.
Если белки пронизывают всю толщу мембраны клеток, то их называют интегральными или трансмембранными.
Такие белки образуют структуры, обеспечивающие движение ионов через мембрану.
Если белки образуют стенки поры, сквозь которую путем простой диффузии проходят ионы, то это ионные каналы.
Если трансмембранные белки перекачивают ионы против концентрационного и электрического градиентов, то это ионные насосы.
Все каналы, имеющиеся в живых тканях, можно разделить на 2 типа:
- первый тип — каналы покоя, которые спонтанно открываются и закрываются без всяких внешних воздействий;
- второй тип — gate-каналы (воротные каналы) — в покое они закрыты и открываются под действием раздражителей.
- неспецифические (каналы утечки, всегда открыты),
- специфические (селективные), обладающие способностью пропускать только определенные ионы при изменении заряда на мембране или действии химических веществ.
Транспорт веществ
Транспорт частиц через каналы является жизненно важным для клеток процессом.
Обычно транспорт веществ делят на пассивный (без затраты энергии), т.е. транспорт веществ по концентрационному, осмотическому и электрохимическому градиентам и активный (с затратой энергии).
Различают первично- и вторично-активный транспорт
Первично-активный транспорт ионов обеспечивается специальными ионными насосами, осуществляется с затратой энергии АТФ, против концентрационного градиента, т.е. перенос веществ происходит из меньшей концентрации через мембрану в большую концентрацию.
- Это вид транспорта для переноса веществ (глюкозы, аминокислот и др.) через мембрану также против градиента, но без затраты энергии .
- Эти вещества проходят через мембрану с помощью специальных переносчиков (напр. ионов Na), на транспорт которых и затрачивается энергия, а эти вещества движутся как бы попутно.
Читайте также: Нарушение развития костной ткани из за недостатка химических элементов
Мембранный потенциал или потенциал покоя
В состоянии покоя между наружной и внутренней поверхностью мембраны возникает разность зарядов или потенциалов, которая в дальнейшем была названа мембранным потенциалом (МП) или потенциалом покоя (ПП) .
Положительные заряды концентрируются на наружной поверхности мембраны, а отрицательные заряды — на внутренней поверхности.
Мембранный потенциал измеряется в отрицательных значениях, т.к. внутренняя поверхность мембраны заряжена отрицательно. Его величина колеблется от -60 до -90 мВ у разных клеток.
Методы измерения мембранного потенциала
В зависимости от места приложения электродов :
- внеклеточный с помощью макроэлектродов,
- внутриклеточный с помощью микроэлектродов.
1. Исследование ПП с помощью макроэлектродов осуществляют, прикладывая один из них к неповрежденному , а другой — к поврежденному участку ткани.
Микроэлектрод представляет собой микропипетку диаметром 0,5 — 1 мкм, наполненную концентрированным солевым раствором (KCl). Внутри него может также находится неполяризующийся электрод — из серебра, золота или платины.
Второй электрод помещается во внеклеточную жидкость.
Оба электрода присоединяются к усилителю и осциллографу для регистрации потенциала. В момент прокалывания мембраны, осциллограф регистрирует появление отрицательного потенциала , соответствующего ПП.
1-ая причина — ионная асимметрия:
- Ионов K находится в клетке в 30-50 раз больше, чем снаружи;
- Ионов Na больше находится вне клетки, чем внутри нее в 8-10 раз;
- Ионов Ca во много раз больше вне клетки;
- Ионов Cl также больше во внеклеточной жидкости, чем внутри клетки в 50 раз;
- Внутри клетки находится больше органических анионов по сравнению с наружной поверхностью.
Таким образом, для этих ионов направление концентрационного градиента различно!
- Для K из клетки (из большей концентрации к меньшей);
- Для Na, Ca и Cl в клетку.
2-ая причина, обуславливающая поляризацию мембраны:
- различная проницаемость мембраны для различных ионов. В состоянии покоя мембрана в 25 раз более проницаема для ионов K, чем для Na, т.к. количество калиевых каналов на единицу площади мембраны намного больше, чем натриевых.
- Поскольку концентрация ионов K в цитоплазме намного выше, чем снаружи клетки, они начинают двигаться через канал и выходят из клетки.
- Ионы K несут положительные заряды, поэтому мембрана снаружи заряжается положительно.
Отрицательный заряд на внутренней поверхности мембраны обусловлен наличием органических анионов — крупномолекулярных соединений, которые заряжены отрицательно, и для которых мембрана непроницаема (глютамат, аспартат, органические фосфаты, сульфаты и др.)
Таким образов, на мембране формируется калиево-равновесный потенциал, т.к. уравновешиваются силы диффузии (выход K из клетки по градиенту концентрации) и электростатического взаимодействия (отталкивание выходящих ионов K положительным зарядом на наружной поверхности мембраны).
Калий является основным ионом, обеспечивающим формирование МП (ПП), что подтверждается формулой Нернста . По ней можно, зная концентрацию онов калия внутри и снаружи клетки, подсчитать величину ПП.
Натрий-калиевый насос или помпа
Для непрерывного активного переноса ионов Na и ионов K через мембрану клетки против концентрационного градиента существует Na-Л обменный насос. При каждом цикле он переносит 3 иона Na наружу и 2 иона K внутрь клетки.
Таким образом, МП представляет собой разность потенциалов между наружной и внутренней поверхностью мембраны клетки. Он является результатом разделения зарядов относительно клеточной мембраны , которое возникает за счет движения заряженных ионов (натрия и, преимущественно, калия) по концентрационным градиентам через ионные каналы, открытые в покое и за счет работы Na-K насоса .
- Свежие записи
- Балкон в многоквартирном доме: является ли он общедомовым имуществом?
- Штраф за остекление балкона в 2022: что это и как избежать наказания
- Штраф за мусор с балкона: сколько заплатить за выбрасывание окурков
- Оформление балконного окна: выбираем шторы из органзы
- Как выбрать идеальные шторы для маленькой кухни с балконом