Електрика у живих організмах
Доповідь з фізики на тему:
“Фізика та біологія.
Сізов Ілля 9/г Школа №49
Ізика та біологія, на перший погляд, досить далекі один від одного науки. Але це лише на перший погляд. Насправді ж у цих науках є багато спільних точок. Наприклад, в анатомії, зір. Тут є елемент оптики: промені світла заломлюються в кришталику ока, і елемент механіки: кришталик деформується м'язами. Хоча, говорячи про м'язи, не можна не згадати про те, що їхня робота безпосередньо пов'язана з фізикою. Адже, по суті, механізм їх дії, скорочення у зв'язку зі скороченням білкових ниток, фізичний процес. А обмін речовин? Адже поживні речовини переходять з крові в міжклітинну речовину, з міжклітинної речовини в клітину та з клітини в міжклітинну речовину в основному через перепад тиску. А чи нагрівання зовнішніх тканин тіла кров'ю внаслідок теплопередачі? І фізика стикується з біологією у анатомії. У птахів є аеродинамічний оперення, у риб гідродинамічна луска і бічна лінія, для уловлювання коливань води. Знову ж таки слух…
Але я хотів би торкнутися стику, який, на мою думку, відіграє особливу роль. Це стик електрики та зоології з анатомією або електрика у живих організмах.
Трохи історії…
Рімерно в середині XVIII століття м'язове скорочення стало предметом експериментального вивчення багатьох вчених. Швейцарський вчений А. Галлер у низці дослідів показав, що скелетні м'язи, м'язи шлунка, серцевий м'яз відповідають на пряме механічне, хімічне та електричне подразнення. Коли відповідний м'яз поза організмом і відділений від нервів. У 1763 році один із послідовників Галлера Ф. Фонтан зробив важливе відкриття. Він показав, що серце може відповісти,або не відповісти на те саме роздратування, в залежності від того, через який проміжок часу після попереднього скорочення наноситься роздратування. Роль нервових волокон, на той час, зберегла, у принципі, правильне визначення дане античними вченими. Вони вважали, що через нерви передаються якісь впливи – від мозку до м'язів та від органів чуття до мозку. Однак у XVIII столітті цього було мало. Хотілося зрозуміти, яка ж природа сигналів, що перетікають нервами. Серед безлічі теорій виникали в середині XVIII століття, під впливом загальної захопленості електрикою, з'явилася теорія про те, що по нервах передається "електричний флюїд". Це перші, в 1743 року, висунув як гіпотези німецький вчений Ганзен. 1749 року французький лікар Дюфей захистив дисертацію на тему “Чи не є нервова рідина електрикою?”. Цю ж ідею підтримав 1774 року англійський вчений Прістлі.
Ідея літала у повітрі. Але цим неможливо пояснити той факт, що помічник італійського лікаря Луїджі Гальвані, який, крім викладання в Болонському університеті, займався практичною анатомією, дуже здивувався, спостерігаючи скорочення жаб'ячої лапки, до якої підвели контакт від електричної машини. Це можна пояснити тим, що досі дратівливу дію спостерігали тільки при безпосередньому контакті зарядженого тіла з нервом або м'язом. Незабаром виходить “Трактат про електрику при м'язовому русі” Гальвані. Він потрапляє до рук знаменитого фізика та професора університету в Павії Алессандро Вольта. У перші 10 днів, після отримання “Трактату…”, Вольта почав активно ставити досліди, які повністю підтверджують результати Гальвані. Вольта вирішив внести міру в цю нову галузь науки, оскільки за власними словами “…ніколи не можна зробитинічого цінного, а то й зводити явищ до градусів і вимірів, особливо у фізиці”. Через те, що Вольта цікавить кількісний бік справи, він шукає умови, за яких мінімальний заряд викликає скорочення. При цьому він з'ясовує, що найкраще скорочення виникає тоді, коли зовнішнім провідником замикаються дві різні ділянки добре відпрепарованого нерва. Тим самим він показав, що не м'яз розряджається в нерв, а нерв збуджується і передає м'язу. Це викликало у Вольта сумнів у теоретичної правоті Гальвані, а й у самому існуванні “живої електрики”. Це започаткувало велику суперечку між прихильниками Вольта та Гальвані. Щоб довести палю правоту, Гальвані проводить ряд дослідів:
Досвід 1. Брався м'яз з нервом, що відходить від нього. Нерв перерізався і наводився на зіткнення з м'язом скляною паличкою. У момент дотику м'яз скорочувався. Гальвані зазначав, що для відтворення опту потрібний новий нерв.
Досвід 2. Бралися два м'язи, з нервами, що відходять. Один нерв укладався у вигляді дуги, а другий розташовувався так, щоб одна його точка стосувалася непошкодженої ділянки, а друга якомога ближче до пошкодженої частини. М'яз, пов'язаний з другим нервом, скорочувався.
Досвід 3.Знову бралися два м'язи, з нервами, що відходять. Нерв другого м'яза містився на перший. Дратувався перший нерв, від чого скорочувався другий м'яз.
Ці досліди справді доводили, що у м'язах утворюється електрика. Але Вольта та його прихильники списували результати Гальвані на різні причини:
1. Вольта висловлював припущення, що “двигуном” електричного флюїду може бути як контакт металів, а й контакт різних рідин. Адже у всіх дослідах Гальвані були різні рідини. Значить, не можна бутивпевненим у тому, від чого виникає електрика.
2. У всіх дослідах Гальвані є механічний рух (або скорочення м'язів, або рух нерва). Можливо, причиною скорочення м'язів є механічне збудження, – припускав Вольта.
3. І, нарешті, нехай навіть м'яз, що скорочується, порушив нерв. Але чому нерв збуджується від електрики? Відомо, що збудити нерв можна тиском, різницею температур.
Ця суперечка була початком електробіології. Потім був Дюбуа-Раймонд, він створив точні прилади для вимірювання біострумів, але, на мою думку, фактичними творцями електробіології є Гальвані Вольта.
Як з'являється електрика у клітці?
ще в 1890 році Вільгельм Оствальд, який продовжував займатися напівпроникними штучними плівками, припустив, що напівпроникність може бути причиною не тільки осмосу, а й електричних явищ. Осмос виникає тоді, коли плівка пропускає маленькі молекули води і пропускає великі молекули цукру. Але ж іони можуть бути теж по-різному величені! Тоді мембрана пропускатиме іони лише одного знака, наприклад, позитивного. Дійсно, якщо подивитися на формулу Нернста для дифузійного потенціалуVд виникає на межі двох розчинів з концентраціями електролітуС1іС2:
де u - швидкість швидшого іона, v - швидкість повільнішого іона, R - універсальна газова постійна, F - число Фарадея, T - температура, і припустити, що мембрана для аніонів не проникна, тобто v = 0, то можна бачити, що повинні з'являтися великі значення дляVд :
Таким чином, Оствальд об'єднав формулу Нернста та знання про напівпроникні мембрани. Він припустив, що властивостями такої мембрани пояснюються потенціалим'язів і нервів та дивовижна дія електричних органів риб.
Вирішальний крок зробив вчений школи Дюбуа-Раймонда Юліус Бернштейн. Він пояснив електричні властивості м'язів і нервів не пристроєм цих органів загалом, а властивостями клітин, у тому числі складаються всі тканини і органи. Нарешті, був прямо вказаний "винуватець", що створює "тварину електрику", - клітинна мембрана, а "зброя" - перенесення іонів. Таким чином, у гіпотезі Бернштейна поєднуються електрохімія та клітинна теорія. Юліус Бернштейн вважається фундатором мембранної теорії біопотенціалів.
Передача інформації у організмі.
Перш ніж зайнятися розглядом саме передачею інформації в організмі, давайте детальніше торкнемося мембрани клітини. Клітинна мембрана – рідка плівка, утворена ліпідами – жироподібними речовинами. Вона складається з двох шарів ліпідних молекул, які вбудовані молекули білка. Нас цікавлять, насамперед, електричні характеристики мембрани, які почав вивчати ще 1910 року німецький фізик і хімік У. Нернст, той самий Нернст, який вивів формулу дифузійного потенціалу. Вимірювання проводилися так: через суспензію клітин проводився струм різної частоти, і визначали її питомий опір. Була розвинена спеціальна теорія, що дозволяла окремо визначити опір мембрани та її протоплазми. Розвиваючи цей напрямок, Г. Фрікке в 1925 показав, що мембрана веде
клітинної мембрани: А – середовище, що оточує клітину, В – цитоплазма.
Тобто з'ясував еквівалентну схему клітинної мембрани. Спочатку він встановив цю схему для мембрани еритроцитів.