ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ БИОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ — количественная характеристика способности живых объектов (тканей) проводить электрический ток. Электропроводность обратно пропорциональна величине электрического сопротивления системы.
Измерение электропроводимости биологических систем используют для получения информации о функциональном состоянии биол, тканей, для выявления воспалительных процессов, изменения проницаемости клеточных мембран и стенок сосудов при патологии или действии на организм физических, химических и других факторов (см. Проницаемость). Измерение электропроводимости биологических систем лежит в основе многих методов оценки кровенаполнения сосудов органов и тканей (см. Реография).
При подаче разности потенциалов (U) через объект течет электрический ток силой (I), величина которой пропорциональна электропроводности (G): I=GU. Величина электропроводности зависит от количества свободных электрических зарядов и их подвижности. Чем больше количество зарядов и их подвижность, тем больше электропроводность. В клетке основными свободными зарядами являются ионы калия и органические анноны, а снаружи клетки, в межклеточных пространствах и тканевых жидкостях — ионы натрия и хлора. В биологических жидкостях (кровь, спинномозговая жидкость, моча и т. д.) электропроводность пропорциональна содержанию в них свободных ионов. Связанные заряды (ионогенные группы белков, липидов, углеводов), перемещение которых ограничено, и крупные ионы с малой подвижностью не оказывают существенного влияния на величину электропроводимости биологических систем.
Электропроводность или сопротивление клеток, тканей, органов и целых организмов измеряют при пропускании через них постоянного или переменного синусоидальной формы тока, частота которого может изменяться от долей герца до 10 10 гц. При измерениях на переменном токе с круговой частотой ω (ω = 2πf, где f — частота в гц) общее сопротивление системы, или импеданс (см.), зависит от наличия границ раздела в системе, на которых может происходить накопление зарядов — поляризация (см.). Свойства границ раздела (в биологическом объекте это главным образом различные мембраны) могут быть описаны, если ввести понятие емкости С, сопротивление которой Хс (реактивное сопротивление в отличие от R — активного сопротивления) зависит от частоты, на которой производится измерение: Xс = 1/(ωC).
Общее сопротивление (Z) равно сумме сопротивлений реактивного Хc и активного R, если R и С соединены последовательно; при параллельном соединении R и С общее сопротивление рассчитывается по формуле:
Для измерения электрических характеристик биол. объекта применяют металлические или угольные электроды (см.), которые прикладывают к объекту с помощью жидкостного контакта — тонкого слоя хорошо проводящей жидкости, чаще всего — физиологического раствора. В ряде случаев, напр. при измерении электропроводности цитоплазматических мембран, один из электродов вводится внутрь клетки, а другой подводится к клетке снаружи (см. Микроэлектродный метод исследования). При измерении электропроводимости биологических систем на постоянном и переменном токах низкой частоты важно учитывать величину поляризации электродов, поскольку за счет электродной поляризации истинные электрические параметры биол, объекта могут значительно отличаться от измеренных. Величина поляризации электродов определяется плотностью тока, которая зависит от приложенной к системе разности потенциалов, сопротивления системы, площади измерительных электродов. Чем больше площадь электродов, тем меньше плотность тока и тем меньше искажения, вносимые в измерения электродами. Поэтому для уменьшения плотности тока используют электроды с большой эффективной поверхностью, в частности платиновые электроды, покрытые платиновой чернью (их губчатое покрытие увеличивает эффективную поверхность электродов в 100 — 1000 раз). Возможно применение и так называемых неполяризующихся электродов (например, каломельных, хлорсеребряных).
Для облегчения интерпретации получаемых результатов биологическую систему (ткани, суспензии клеток) часто представляют в виде модели — электрической схемы, состоящей из набора активных сопротивлений и емкостей, являющихся как бы эквивалентами биологических структур клеток или тканей, участвующих в проведении электрического тока.
Измерение электропроводимости биологических систем на постоянном токе из-за высокой степени поляризации мембран и электродов крайне затруднено. На низких частотах переменного тока большая часть тока протекает по межклеточным промежуткам. При увеличении частоты электрического тока реактивное сопротивление емкости падает, поляризационные явления уменьшаются. Зависимость сопротивления и емкости объекта от частоты получила название дисперсии (см.). На высоких частотах общее сопротивление системы зависит только от активных сопротивлений межклеточных пространств и цитоплазмы.
В медицине и биологии электропроводимость биологических систем чаще всего исследуют в области так называемой β-дисперсии, которая наблюдается в диапазоне частот 10 2 —10 8 гц и определяется поляризацией границ раздела и неоднородностью структуры объекта. Измерения электропроводимости биологических систем показали, что по мере повышения частоты электропроводность возрастает, достигая предельной величины. При переживании и отмирании ткани возрастает электропроводимость биологических систем на низких частотах. Это связано с тем, что при отмирании ткани растет проницаемость мембран для ионов, и они уже не являются границей, на которой может происходить поляризация. Основываясь на способности живой ткани к поляризации, Б. Н. Тарусов предложил в качестве критерия оценки жизнеспособности ткани использовать коэффициент К, численно равный отношению Rн/Rв где Rн и Rв — сопротивления ткани, измеренные соответственно на низкой и высокой частотах; при отмирании ткани он стремится к единице. Выбор частот для расчета К определяется диапазоном β-дисперсии: низкой частоте соответствует частота начала β-дисперсии, высокой — частота, при которой электропроводимость биологических систем достигает максимальной величины. Например, для мышечной ткани — это 10 3 и 10 6 гц, клеток крови и жировой ткани — 10 4 и 10 7 гц, кожи — 10 2 и 10 4 гц и т. д. На высоких частотах, когда активное и общее сопротивления не зависят от частоты, возможно исследование относительных изменений числа ионов в биол. системе, связанных с нарушением водно-солевого обмена.
Читайте также: Грубоволокнистая соединительная ткань локализация
Сопоставляя Данные, полученные при измерении на низких и высоких частотах, можно вычислить объем и ионную проводимость межклеточных пространств и цитоплазмы клеток, проницаемость мембран для ионов, емкостные характеристики мембраны. Если измерения проводятся в системе, где межклеточные пространства занимают достаточно большой объем (более 20—30%), например при измерениях электропроводности крови, то для вычисления параметров дисперсной фазы (эритроцитов) используют специальные формулы. Частоты, на которых наблюдается дисперсия, зависят от величины клеток и объема межклеточных пространств. Так, дисперсия электропроводимости биологических систем для клеток крови начинается на частотах порядка нескольких десятков килогерц, для мышечной ткани — несколько килогерц, жировой — сотен килогерц. При исследовании электрических характеристик плазматических мембран клеток дисперсия обнаруживается на частотах порядка нескольких десятков герц. Электрические характеристики тканей и органов на низких частотах зависят от неоднородности расположения клеток и межклеточных пространств и соотношения их объемов. Этот факт используется в реографии и реоэнцефалографии (см.) при исследовании изменений кровенаполнения ткани и эластических свойств стенок сосудов. Измерение электропроводимости биологических систем на низких частотах позволяет оценить изменения объема межклеточных пространств, в частности при развитии воспаления (см.). Так, на первых стадиях воспалительного процесса структура клеток изменяется незначительно, и импеданс клеток сохраняет свою величину. По мере набухания клеток и уменьшения объема межклеточных пространств происходит увеличение общего сопротивления системы. На более поздних стадиях развития воспаления импеданс системы уменьшается за счет возрастания проницаемости мембран для различных ионов.
Таким образом, измерение электропроводимости биологических систем или импеданса, особенно в широком диапазоне частот, может быть использовано при исследовании проницаемости клеточных мембран и других границ раздела в клетках, тканях, органах, а стандартизация (измерение удельных величин) дает возможность сравнивать данные, полученные разными исследователями. Возбуждение, изменение интенсивности метаболизма и других функций клеток приводят к изменению электропроводимости биологических систем. Методы измерения электропроводимости биологических систем используют для исследования влияния на биологические объекты различных факторов: работы (увеличение интенсивности метаболизма приводит к увеличению проницаемости мембран); психогенных (изменяется проницаемость кожи за счет работы потовых желез); физических (радиация, ультрафиолетовое излучение, температура и др.) и химических (кислоты, щелочи, спирты и др.), обычно сопровождаемых ростом проницаемости. Изменение проницаемости мембран часто зависит от дозы или концентрации действующего вещества. Так, соли меди в малых концентрациях уменьшают проницаемость мембран мышечных клеток кожи лягушки, а в концентрациях более 10 -3 М — увеличивают. Исследование электрических свойств возбудимых тканей способствовало изучению механизма проведения возбуждения по нерву п мышце. На основании измерений активного сопротивления, емкости и их дисперсии была вычислена статическая емкость клеточной мембраны (около 1 мкф/см 2 ) и впервые определена толщина ее липидного бислоя. Было найдено, что удельное сопротивление аксоплазмы и миоплазмы всего в 2—3 раза выше сопротивления внеклеточной жидкости, тогда как сопротивление мембраны выше в десятки тысяч раз. Эти данные послужили основанием для возникновения представления о «кабельной» структуре волокна. Установлены временные соотношения между изменением проницаемости мембраны для ионов и развитием потенциала действия — «импедансный спайк» (см. Биоэлектрические потенциалы, Нервный импульс). Исследование электропроводимости биологических систем может быть использовано для оценки состояния тканей при их консервации, а также эффективности действия биологически активных веществ на модельные системы. В ряде случаев проницаемость биол. мембран для ионов сопряжена с их проницаемостью для незаряженных частиц— сахаров, аминокислот и других соединений. Поэтому измерение электропроводимости биологических систем может оказаться полезным при изучении проницаемости мембран и для неэлектролитов. Исследование электпроводимости биологических систем может найти применение и в биотехнологии для оценки оптимальности среды и условий культивирования клеток.
Читайте также: Как покрасить ткань из акрила
Библиогр.: Андреев В. С. Кондуктометрические методы и приборы в биологии и медицине, М., 1973; Биофизика, под ред. Б. Н. Тарусова и О. Р. Колье, с. 186, М., 1968; Гречин В. Б. и Боровикова В. Н. Медленные неэлектрические процессы в оценке функционального состояния мозга человека, с. 22, Л, 1982; Гуревич М. И. и др. Импедансная реоплетизмография, Киев, 1982; Егоров Ю. В. и Кузнецова Г. Д. Мозг как объемный проводник, М., 1976; Слынько П. П. Основы низкочастотной кондуктометрии в биологии, М., 1972; Хассет Дж. Введение в психофизиологию, пер. с англ., с. 53, М., 1981; Электроника и кибернетика в биологии и медицине, пер. с англ., под ред. П. К. Анохина, с. 71, М., 1963; Schwan Н. P. Electrical properties of tissue and cell suspensions, Advanc, biol. med. Phys., v. 5, p. 147, 1957.
Физико-химические основы действия постоянного тока
При чрезкожной методике воздействия гальванический ток, преодолев сопротивление эпидермиса кожи, проходит в глубоко лежащие ткани через протоки потовых и сальных желёз, а при полостной методике – через слизистые оболочки. В кожных покровах развивается выраженная первичная реакция на воздействие постоянного тока, главным образом за счет раздражения нервных рецепторов.
Гальванизация – воздействие на организм с лечебно-профилактической целью постоянным непрерывным электрическим током малой силы ( до 50 мА) и низкого напряжения (30-80 В) через контактно наложенные на тело пациента электроды. Этот ток назван «гальваническим» в честь итальянского учёного Л. Гальвани (1738-1798).
Ткани человека обладают различной электропроводностью. Наибольшей электропроводностью отличается кровь, лимфа, спинномозговая жидкость, мышцы, паренхиматозные органы. Большое сопротивление электрическому току оказывает жировая, костная ткани и мембраны клеток ткани.
При чрезкожной методике воздействия гальванический ток, преодолев сопротивление эпидермиса кожи, проходит в глубоко лежащие ткани через протоки потовых и сальных желёз, а при полостной методике – через слизистые оболочки. В кожных покровах развивается выраженная первичная реакция на воздействие постоянного тока, главным образом за счет раздражения нервных рецепторов.
Читайте также: Как украсить венок тканью
Неповреждённая кожа человека обладает высоким омическим сопротивлением и низкой удельной электропроводностью, поэтому в организм ток проникает в основном через выводные протоки потовых и сальных желёз, межклеточные щели. Поскольку их общая площадь не превышает 1\200 части поверхности кожи, то на преодоление эпидермиса, обладающего наибольшим сопротивлением, тратится больше всего энергии тока. Поэтому здесь развиваются наиболее выраженные первичные (физико-химические) реакции на воздействие постоянным током, сильнее проявляется раздражение нервных рецепторов.
Преодолев сопротивление эпидермиса и подкожной жировой ткани, ток дальше распространяется по пути наименьшего омического сопротивления, преимущественно по межклеточным пространствам, кровеносным и лимфатическим сосудам, оболочкам нервов и мышцам, значительно отклоняясь от прямой, которой условно можно соединить 2 электрода. В клетки тканей гальванический ток не проникает, т. к. мембраны клеток имеют свой, достаточно высокий электрический потенциал.
Прохождение тока через ткани сопровождается рядом физико-химических сдвигов, которые и определяют первичное действие гальванизации на организм.
Наиболее существенным физико-химическим процессом, обусловленным природой фактора и играющим важную роль в механизме действия постоянного тока, считается изменение йонной конъюнктуры, количественного и качественного соотношения йонов в тканях.
Под действием приложенного извне электрического поля растворы неорганических солей диссоциируют и положительно заряженные йоны (катионы) двигаются к катоду (отрицательному электроду), а отрицательно заряженные йоны (анионы) – к аноду (положительному электроду). В связи с различиями физико-химических свойств (заряд, радиус, гидратация и др. ) йонов скорость их перемещения в тканях будет неодинакова.
В результате этого после гальванизации в тканях организма возникает йонная асимметрия, сказывающаяся на жизнедеятельности клеток, скорости протекания в них биофизических, биохимических и электрофизических процессов. Наиболее характерным проявлением йонной асимметрии является относительное преобладание у катода одновалентных катионов калия и натрия, а у анода – двухвалентных кальция и магния. Именно с этим явлением связывают раздражающее (возбуждающее) действие катода, и успокаивающее (тормозное) – анода.
Наряду с движением йонов происходит перемещение жидкости в направлении к катоду (электроосмос), вследствие этого под катодом наблюдается отек и разрыхление, а под анодом уплотнение и сморщивание тканей. Кроме того, под влиянием постоянного тока в тканях образуются биологически активные вещества (гистамин, ацетилхолин и др. ).
При гальванизации наблюдается увеличение активности йонов в тканях. Это обусловлено переходом части йонов из связанного с полиэлектролитами в свободное состояние. Данный процесс способствует повышению физиологической активности тканей и рассматривается как один из механизмов стимулирующего действия гальванизации.
Существенную роль среди первичных механизмов действия постоянного тока играет явление электрической поляризации – скопление у мембран противоположно зяряженных йонов с образованием электродвижущей силы, имеющей направление, обратно приложенному напряжению. Поляризация приводит к изменению дисперсности коллоидов протоплазмы, гидратации клеток, проницаемости мембран, влияет на процессы диффузии и осмоса. Поляризация затухает в течение нескольких часов и определяет длительное последействие фактора.
Одним из физико-химических эффектов при гальванизации считается изменение кислотно-щелочного состояния в тканях вследствие перемещения положительных йонов водорода к катоду, а отрицательных гидроксильных йонов к аноду. Одновременно происходит направленное перемещение йонов натрия и хлора, восстановление их в атомы, а взаимодействие с водой может привести к образованию под анодом кислоты, а под катодом – щелочи.
Продукты электролиза являются химически активными веществами и при их избыточном образовании могут быть причиной ожога подлежащих тканей. Изменение же рН тканей отражается на деятельности ферментов и тканевом дыхании, состоянии биоколлоидов, служит источником раздражения кожных рецепторов. Названные физико-химические эффекты гальванического тока определяют его физиологическое и терапевтическое действие.
1.Улащик В.С., Лукомский И.В. — Общая физиотерапия 2008 г.
2.Ушаков А.А. – Практическая физиотерапия 2009 г.
3.Улащик В.С. Физиотерапия. Универсальная медицинская энциклопедия 2009 г.
- 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