Электричество в живых организмах реферат
Обновлено: 02.07.2024
изика и биология, на первый взгляд, довольно далекие друг от друга науки. Но это только на первый взгляд. В действительности же в этих науках есть много общих точек. Например, в анатомии, зрение. Здесь присутствует элемент оптики: лучи свет а преломляются в хрусталике глаза, и элемент механики: хрусталик деформируется мышцами. Хотя, говоря о мышцах, нельзя не упомянуть о том, что их работа напрямую связан а с физикой. Ведь по сути дела, механизм их действия, сокращение в связи с сокращением белковых нитей, физический процесс. А обмен веществ? Ведь питательные вещества переходят из крови в межклеточное вещество, из межклеточного вещества в клетку и из клетки в межклеточное вещество в основном из-за перепада в давлении. А нагревание внешних тканей тела кровью вследствие теплопередачи? И физика стыкуется с биологией не только в анатомии. У птиц есть аэродинамическое оперение, у рыб гидродинамическая чешуя и боковая линия, для улавливания колебаний воды. Опять же слух…
Но я хотел бы коснуться стыка, который, по-моему, играет особую роль. Это стык электричества и зоологии с анатомией или электричество в живых организмах.
Как появляется электричество в клетке?
ще в 1890 году Вильгельм Оствальд, который продолжал заниматься полупроницаемыми искусственными пленками предположил, чтополупроницаемость может быть причиной не только осмос а, но и электрических явлений. Осмос возникает тогда, когда пленкапропускает маленькие молекулы воды и не пропускает большие молекулы сахар а. Но ведь ионы могут быть тоже разно величены! Тогда мембрана будет пропускать ионы только одного знака, например, положительного. Действительно, если посмотреть на формулу Нернста для диффузионного потенциала Vд возникающего на границе двух растворов с концентрациями электролита С1 и С2:
Vд= (u – v)/(u + v)-1 *(RT/ F)*ln C1 /C2
где u– скорость более быстрого иона, v- скорость более медленного иона, R – универсальная газовая постоянная, F — число Фараде я, T – температура, и предположить, что мембрана для анионов не проницаема, то есть v = 0, то можно видеть, что должны появляться большие значения для Vд:
Таким образом, Оствальд объединил формулу Нернста и знание о полупроницаемых мембранах. Он предположил, что свойствами такой мембраны объясняются потенциалы мышц и нервов и удивительное действие электрических органов рыб.
Решающий шаг сделал ученый школы Дюбуа-Раймонда Юли ус Бернштейн. Он объяснил электрические свойства мышц и нервов не устройством этих органов в целом, а свойствами клеток, из которых состоят все ткани и органы. Наконец-то, был прямо указан “виновник”, создающий “животное электричество”, — клеточная мембрана, а“оружие” – перенос ионов. Таким образом, в гипотезе Бернштейна объединяются электрохимия и клеточная теория. Юли ус Бернштейн считается основателем мембранной теории биопотенциалов.
Передача информации в организме.
режде чем заняться рассмотрением собственно передачей информации в организме, давайте поподробнее коснемся мембраны клетки. Клеточная мембрана – жидкая плен ка, образованная липидами — жироподобными веществами. Она состоит из двух слоев липидных молекул, в которые встроены молекулы белка. Нас интересуют, прежде всего, электрические характеристики мембраны, которые начал изучать еще в 1910 году немецкий физик и химик В. Нернст, тот самый Нернст, который вывел формулу диффузионного потенциала. Измерения проводились следующим образом: через суспензию клеток проводился ток разной частоты, и определяли ее удельное сопротивление. Была развита специальная теория, позволявшая отдельно определить сопротивление мембраны и ее протоплазмы. Развивая это направление, Г. Фрикке в 1925 году показал, что мембрана в едет
себя в опытах, как параллельно соединенные сопротивление и. конденсатор
Эквивалентная схема
клеточной мембраны: А – среда, окружающая клетку, В – цитоплазма.
То есть выяснил эквивалентную схему клеточной мембраны. Первоначально, он установил эту схему для мембраны эритроцитов.
Фрикке использовал при измерениях частоты до 4,5 МГц, это значит, что ему содействовало развит ее техники – появление генераторов высокой частоты. Дальнейшие исследования показали, что ем кость мембраны примерно 1мкФ/см2, а удельное сопротивление протоплазмы близко к 100 Ом*см. Напротив, удельное сопротивление мембраны у разных клеток оказалось разным: у яйцеклетки морского ежа удельное сопротивление мембраны составляет всего 100Ом*см2, а у водоросли нителлы – 105 Ом*см2. Обратите внимание на единицы измерения: Ом*см2! В электрофизиологииудельным сопротивлением мембраны называется сопротивление1см2мембраны, то есть произведение rl в формуле R= rl/S. Итак, мы подошли к самой постановке вопроса о системе связи в организме. Когда вы читали предыдущий текст, ваш мозг принимал сигналы от глаз и посылал команды глазным мышцам. Как? Каким образом сигналы попадали от глаза к мозгу и от мозга к глазным мышцам? Через нервы. В грубом сравнении нервы могут показаться аналогом телефонной линии. Это далеко не так. Рассмотрим две причины. Во-первых: передают сигнал не нервы, а аксоны или длинные нервные отростки. Нерв – пучок аксонов с множеством вспомогательных клеток питающих аксон и “подводящих” к нему кислород. И, во-вторых, сам аксон непростой проводник. Рассмотрим пример:
Возьмем аксон кальмара и сравним его схему со схемой обыкновенного проводника.
?
а)
б)
Электрические схемы передачи сигналов. Схема аксона(а) состоит из продольных сопротивлений ri емкостимембраны C сопротивления мембраны rm и источник э. д. с. Em. Техническая система передачи сигналов (б) состоит из источника тока E нагрузки H и выключателя K.
Даже с первого взгляда видно, что схемы кардинально отличаются.
аж дому из нас приходилось слышать об электрических рыбax. Для меня долгое время оставалось загадкой, как сравнительно небольшой электрический угорь может выработать разность потенциалов 800 – 900 В. Как же устроеныэти рыбы?
Основу вырабатывающих органов составляют столбики из плоских клеток, лежащих друг на друге как пары медь – цинк в вольтов ом столбе. К одной поверхности каждой клетки подходят нервное окончание. Когда орган находится в покое, обе стороны каждой клетки имеют одинаковый потенциал и ток через орган не идет. Когда же по всем нервным волокнам проходят импульсы постсинаптическая мембрана резко повышает свою проницаемость к ионам и потенциал падает до нуля. Это приводит к возникновению тока текущего через клетку. Так появляется разряд у ската и звездочета. У рыб, более продвинутых по ступеням эволюции, как электрический угорь, нильская щука и нильский сом органы устроены несколько иначе. Мембрана с той стороны клетки, на которую действует синапс, оказалась электрически возбудимой, так что при проходе нервного импульса она не только снижает свой потенциал до нуля, а перезаряжается, что обеспечивает более высокую разность потенциалов, генерируемую клетками.
Список литературы:
1. М. Б. Буркнблит Е. Г. Гаоглева. “Электричество в живых организмах”.
2. Энциклопедия для детей “А ванта +” том 2: Биология.
3. Л. Эли от, У. Уилкокс “Физика”
4. Г. Р. Иваницкий “Мир глазами биофизики”
5. Е. Кнорре “Живое в прожекторах науки”
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Каждый год в школе “Логос” проходит интересная научно-практическая конференция в рамках одной большой темы “Люди, которые изменили мир”. В 2016-2017 учебном году данная тема посвящена великому физику Н. Тесла. Нас пригласили в качестве гостей на открытие конференции. Из гостей мы стали участниками. На выбор участникам конференции было предложено несколько тем, связанных с электричеством.
Цель проекта:
Выяснить природу электричества в живых организмах и рассказать об этом ребятам.
Продукт проекта:
Макет ската, на котором показаны электрические органы;
Классный час в 3 классе;
Участие в конференции.
Спецификация:
Понятность для разных возрастов
Список задач:
2) Подобрать необходимый материал для изготовления макета
3) Создать учебный макет
4) Написать сценарий для проведения уроков в 3-х классах
Теоретическая часть
Раздел 1. Электромагнетизм.
Сначала разберем, что такое электричество?
Рис.1.1. Электрические заряды.
В зависимости от состояния электрических зарядов и различных свойств проявления их в природе, раздел электромагнетизма условно можно разделить на три подраздела, что облегчает изучение материала: электростатика, электрический ток, магнетизм.
Электростатика — раздел учения об электричестве, изучающий взаимодействие неподвижных электрических зарядов ( коли́чество электри́чества ).
Электри́ческий ток — направленное (упорядоченное) движение частиц или квазичастиц — носителей электрического заряда.
Многие физические явления, наблюдаемые в природе и окружающей нас жизни, не могут быть объяснены на основе законов механики, молекулярно-кинетической теории и термодинамики. В этих явлениях проявляются силы, действующие между телами на расстоянии, причем эти силы не зависят от масс взаимодействующих тел и, следовательно, не являются гравитационными. В отличие от механических взаимодействий, где участниками физического процесса являются частицы вещества, массы, в электромагнитных взаимодействиях участвуют частицы эфира, не имеющие массы. Как в случае механических, так и электромагнитных взаимодействиях на расстоянии общим является то, что такие дистантные взаимодействия обеспечивают соответствующие физические поля, через которые передаются физические взаимодействия.
О существовании электромагнитных сил знали еще древние греки. Но систематическое, количественное изучение физических явлений, в которых проявляется электромагнитное взаимодействие тел, началось только в конце XVIII века. Трудами многих ученых в XIX веке завершилось создание стройной науки, изучающей электрические и магнитные явления. Эта наука, которая является одним из важнейших разделов физики, получила название электродинамики.
Первооткрывателем электромагнетизма считается датский физик Ханс Кристиан Э́рстед, обнаруживший воздействие электрического тока на магнит.
До начала XIX века никто не предполагал, что электричество и магнетизм что-то связывает. И даже разделы физики, в которых они рассматривались, были разными. Доказательство существования такой связи было получено Эрстедом в 1820 г. во время проведения опыта на лекции в университете. На экспериментальном столе рядом с проводником тока находился магнитный компас. В момент замыкания электрической цепи магнитная стрелка компаса отклонилась от своего первоначального положения. Повторив опыт, Эрстед получил такой же результат.
Основными объектами изучения в электродинамике являются электрические и магнитные поля, создаваемые электрическими зарядами и токами.
Электромагнитное поле — это особая форма материи, посредством которой осуществляется взаимодействие между электрически заряженными частицами.
Тела или частицы, обладающие электрическим зарядом, создают в окружающем их пространстве электрическое поле, являющееся одним из двух компонентов электромагнитного поля.
Магнитное поле - это особый вид материи, специфической особенностью которой является действие на движущийся электрический заряд, проводники с током, тела, обладающие магнитным моментом, с силой, зависящей от вектора скорости заряда, направления силы тока в проводнике и от направления магнитного момента тела.
Раздел 2. Электричество в живой природе.
Электри́ческие о́рганы (лат. Organa electricus) — органы некоторых рыб, генерирующие электрические разряды. Электрические органы (рис 1.2) возникли независимо у рыб нескольких далёких друг от друга групп (как пресноводных, так и морских). Их имели многие ископаемые рыбы и бесчелюстные; среди современных рыб эти органы известны более чем у 300 видов. Электрические органы — это видоизменённые мышцы, парные органы. У разных видов рыб они сильно отличаются расположением, формой и внутренним строением. Они могут представлять собой почковидные образования (у электрических скатов и электрических угрей), тонкий слой под кожей (электрический сом), нитевидные образования (мормировые и гимнотовые (англ. Gymnotidae)), находиться в подглазничном пространстве (североамериканский звездочёт). Их масса может достигать 1/6 (у электрических скатов) и даже 1/4 (у электрических угрей и сомов) массы тела.
Рисунок 1.2. Электрические органы угря и ската.
Каждый электрический орган состоит из многочисленных собранных в столбики электрических пластинок (рис.2.2) — видоизменённых (уплощённых) мышечных, нервных или железистых клеток, между мембранами которых может генерироваться разность потенциалов. Количество пластинок и столбиков в электрических органах разных видов рыб различно: у электрического ската около 600 расположенных в виде пчелиных сот столбиков по 400 пластинок в каждом, у электрического угря — 70 горизонтально размещённых столбиков по 6000 в каждом, у электрического сома электрические пластинки (около 2 млн.) распределены беспорядочно. Пластинки в каждом столбике соединены последовательно, а электрические столбики — параллельно. Электрические органы иннервируются ветвями блуждающего, лицевого и языкоглоточного нервов, подходящими к электроотрицательной стороне электрических пластинок.
Рисунок 2.2. Электрические органы ската.
Среди электрических рыб первенство принадлежит электрическому угрю (рис.3.2), живущему в притоках Амазонки и других реках Южной Америки. Взрослые особи угря достигают двух с половиной метров. Электрические органы - преобразованные мышцы - располагаются у угря по бокам, простираясь вдоль позвоночника на 80 процентов всей длины рыбы. Это своеобразная батарея, плюс которой находится в передней части тела, а минус - в задней. Живая батарея вырабатывает напряжение около 350, а у самых крупных особей - до 650 вольт. При мгновенной силе тока до 1-2 ампер такой разряд способен свалить с ног человека. С помощью электрических разрядов угорь защищается от врагов и добывает себе пропитание.
Рисунок 3.2. Электрический угорь.
В реках Экваториальной Африки обитает другая рыба - электрический сом (рис.4.2). Размеры его поменьше - от 60 до 100 см. Специальные железы, вырабатывающие электричество, составляют около 25 процентов общего веса рыбы. Электрический ток достигает напряжения 360 вольт. Известны случаи электрического шока у людей, купавшихся в реке и нечаянно наступивших на такого сома. Если электрический сом попадается на удочку, то и рыболов может получить весьма ощутимый удар током, прошедшим по мокрым леске и удилищу к его руке.
Рисунок 4.2. Электрический сом
Однако умело направленные электрические разряды можно использовать в лечебных целях. Известно, что электрический сом занимал почетное место в арсенале народной медицины у древних египтян.
Вырабатывать весьма значительную электрическую энергию способны и электрические скаты (рис.5.2). Их насчитывается более 30 видов. Эти малоподвижные обитатели дна, размером от 15 до 180 см, распространены главным образом в прибрежной зоне тропических и субтропических вод всех океанов. Затаившись на дне, иногда наполовину погрузившись в песок или ил, они парализуют свою добычу (других рыб) разрядом тока, напряжение которого у разных видов скатов бывает от 8 до 220 вольт. Скат может нанести значительный удар током и человеку, случайно соприкоснувшемуся с ним.
Рисунок 5.2. Электрический скат
Как уже говорилось ранее, скат вырабатывает электричество при помощи специальных электрических органов, которые находятся внутри ската (рис.2.2). Они возникли как у пресноводных, так и у морских рыб. Ученые выяснили, что такого рода органы были у некоторых их предков. Современная ихтиология насчитывает больше трехсот видов рыб, которых природа одарила электрическими органами, представляющие собой видоизмененные мышцы. У тех или иных электрических рыб они отличаются своим местоположением. К примеру, у скатов – это почковидные образования.
Если выразиться более простыми словами, то электроорганы скатов являются своеобразными мини-генераторами, которые вырабатывают весьма приличный заряд тока. Кстати, такого заряда хватит на то, чтобы обездвижить человека, не говоря уже о рыбах. Некоторые специалисты утверждают, что электрический скат вырабатывает напряжение в триста вольт. Электроорганы находятся в брюшной части и спинной и сравниваются они с электрической или гальванической батарейкой. Каждый орган состоит из большого количества электрических пластин, которые собраны в столбики. Это видоизменные мышечные, нервные и железистые клетки. Электроорганы рыбы иннервируются специальными ветвями лицевого, языкоглоточного и блуждающего нервов.
В каких случаях скат вырабатывает электричество?
Любопытно, но еще в древности успешно эксплуатировалось такое удивительное электрогенное свойство скатов. Этих чудо-рыб древне греческий народ использовало для обезболивания во время оперативного вмешательства или же во время родов.
Помимо электрических зарядов большой силы dct рыбы способны вырабатывать и низковольтный, слабый по силе ток. Благодаря ритмическим разрядам слабого тока с частотой от 1 до 2000 импульсов в секунду, они даже в мутной воде превосходно ориентируются и сигнализируют друг другу о возникающей опасности. Таковы мормирусы (рис 6.2) и гимнархи (рис. 7.2), обитающие в мутныхводах рек, озер и болот Африки.
Вообще же, как показали экспериментальные исследования, большинство рыбы, и морских, и пресноводных, способны излучать очень слабые электрические разряды, которые можно уловить лишь с помощью специальных приборов. Эти разряды играют важную роль в поведенческих реакциях рыб, особенно тех, которые постоянно держатся большими стаями.
Рис. 6.2. Мормирус. Рис. 7.2. Гимнарх.
Рис.6.2. Мормирус.
Практическая часть.
Описание процесса
Вместе с учителем биологии мы решили создать макета ската с его электрическими органами. Очень сложно понять, каким образом происходит процесс возникновения электрического разряда в телах живых организмов.
Теперь главной задачей нашей работы было подобрать необходимый материал для создания макета. Используя опыт предыдущих проектов, за основу мы взяли флористическую пену, из которой вырезали макет ската и его электрических органов. Покрыли его краской и лаком.
Материал должен был быть гибким, эластичным, определенного цвета.
Сначала, я выбрала картинку электрического ската по образу и подобию, которой, начала делать выкройку.
Потом вырезала из губки для флористов основу-тело ската.
Теперь необходимо было сделать плавники и покрасить макет специальной краской.
Оценка результата/продукта
Результатом проекта у нас является макет ската, на котором показаны электрические органы, классный час в 3 классе, участие в конференции.
Макет ската с электрическими органами, согласно анатомическим и морфологическим особенностям. На брюшной поверхности показана имитация электрических органов, в качестве наглядного пособия для младших классов. Макет ската имеет характерные для данного вида окраску: бледно-желтое брюхо и серое тело с характерными желтыми пятнами. Так же показан хвост, который является органом, получающим электрический импульс и передающим его в тело жертвы.
Для проведения классного часа был разработан сценарий: я познакомила ребят с особенностями строения электрического ската, понятием электричества, а так же вместе с учащимися 3 класса в игровой форме мы заселили обитателей морского дна, в том числе и электрического ската. Электрические скаты- это придонные животные, родственники акул, которые питаются рыбой и ракообразными.
Третьим и окончательным этапом нашего проекта стало участие в научно-практической конференции в школе “Логос”. Данное мероприятие является важным аспектом обмена опыта между учащимися разных школ. А так же возможностью узнать новую информацию по разным предметам.
Рефлексия
Сильной стороной проекта было то, что в Интернете очень много информации на данную тему, однако поначалу нам было трудно понять, какую информацию стоит включать в свою работу, а какая является лишней и ненужной. Нашей проблемой также было то, что у нас было очень ограниченно свободное время для работы над проектом. В ходе работы нам пришлось столкнуться с нехваткой необходимых материалов в магазинах. Для нас работа над проектом была интересна, так как наличие дополнительных знаний по данной теме, приобретенных нами по ходу работы над проектом, пригодится нам во время получения высшего образования и дальнейшей работы.
Список использованных источников информации:
Приложение 1. Календарное планирование
Декабрь 2016
Январь 2017
Февраль 2017
Сбор информации по теме
Собирание необходимых для создания макета материалов
Разработка презентации
Разработка сценария уроков для 3-х классов
Работа над макетом
Работа над макетом
Подготовка к конференции
Приложение 2. Рецензия (биолог и физик)
Рецензия на проект по биологии
от руководителя проекта, учителя биологии, Зениной С.Ю.
1. Данная работа характеризуется кратким исследованием теоретического материала о том, как продуцируют электричество живые организмы, как устроены электрические органы животных на примере электрического ската. Приводятся примеры животных, способных производить электричество и применять его в качестве охоты и защиты. Работа носит поисково-исследовательский характер.
3. Практическая значимость работы заключается в поиске информации, её анализе и компоновке. Материал работы понятен любому человеку, т.к. написана она доступным языком, не перенасыщена специальной терминологией и, в тоже время, весьма познавательна и полезна.
4.В работе использован материал из источников информации, обзор которых выполнен полно и качественно.
5. В работе, самое активное участие приняла Саша, но во многом ей помогала и мама.
6.В подаче материала (через презентацию) используются интерактивные компьютерные технологии и макет, созданный самой ученицей в соавторстве с учителем биологии.
7. Не смотря на то, что времени у нас было много, проект требовал кропотливой работы, так как макет ската приходилось по долгу сушить и покрывать новым слоем краски и лака.
Саша проявила себя, как самостоятельный и пунктуальный участник проекта. Она стабильно, посещала все консультации и выполняла домашнее задание по проекту. Она сама разработала конспект классного часа (урока) для 3 класса и успешно его провела.
Продолжаем публикацию научно-популярных лекций, прочитанных молодыми вузовскими преподавателями, получившими гранты Благотворительного фонда В. Потанина. На этот раз предлагаем вниманию читателей изложение лекции, которую прочла доцент кафедры физиологии человека и животных Саратовского государственного университета им. Н. Г. Чернышевского кандидат биологических наук Оксана Семячкина-Глушковская.
Живые электростанции
Электричество играет порой невидимую, но жизненно важную роль в существовании многих организмов, включая человека.
Однако многие электрические рыбы используют электричество далеко не в мирных целях, в частности для того, чтобы убивать свою добычу.
Памятник Луиджи Гальвани (1737–1798) — итальянскому врачу и физиологу — в его родном городе Болонье. Фото Виталия Пирожкова
Впервые европейцы столкнулись с чудовищными живыми электростанциями в джунглях Южной Америки. Отряд искателей приключений, проникших в верховья Амазонки, наткнулся на множество мелких ручейков. Но как только один из участников экспедиции ступил ногой в тёплую воду ручейка, он упал без сознания и пробыл в таком состоянии два дня. Всё дело было в электрических угрях, обитающих в этих широтах. Амазонские электрические угри, достигающие трёх метров в длину, способны генерировать электричество напряжением более 550 В. Электрический удар в пресной воде оглушает добычу, которая обычно состоит из рыб и лягушек, но способен также убить человека и даже лошадь, если они в момент разряда находятся вблизи угря.
Неизвестно, когда бы всерьёз человечество взялось за электричество, если бы не удивительный случай, произошедший с женой известного болонского профессора Луиджи Гальвани. Не секрет, что итальянцы славятся широтой вкусовых пристрастий. Поэтому они не прочь иногда побаловаться лягушачьими лапками. День был ненастный, дул сильный ветер. Когда сеньора Гальвани зашла в мясную лавку, то её глазам открылась ужасная картина. Лапки мёртвых лягушек, словно живые, дёргались, когда касались железных перил при сильном порыве ветра. Сеньора так надоедала мужу своими рассказами о близости мясника с нечистой силой, что профессор решил сам выяснить, что же происходит на самом деле.
И всё-таки судьбе было угодно, чтобы труды Гальвани нашли своё продолжение. Соотечественник Гальвани Алессандро Вольта, прочитав его книгу, пришёл к мысли о том, что в основе живого электричества лежат химические процессы, и создал прообраз привычных для нас батареек.
Биохимия электричества
Но вернёмся к электричеству. Какая существует взаимосвязь между мембраной клетки и живым электричеством?
Когда клетка находится в состоянии покоя, для ионов К + горит зелёный свет и они беспрепятственно покидают пределы клетки через свои каналы, направляясь туда, где их мало, чтобы уравновесить свою концентрацию. Помните школьный опыт по физике? Если взять стакан с водой и капнуть в него разведённый перманганат калия (марганцовку), то через некоторое время молекулы красящего вещества равномерно заполнят весь объём стакана, окрасив воду в розовый цвет. Классический пример диффузии. Аналогичным образом это происходит с ионами К + , которые есть в избытке в клетке и имеют всегда свободный выход через мембрану. Ионы же Nа + , как персона non grata, не имеют привилегий со стороны мембраны покоящейся клетки. В этот момент для них мембрана как неприступная крепость, проникнуть через которую почти невозможно, поскольку все Nа + -каналы закрыты.
Но при чём же здесь электричество, скажете вы? Всё дело в том, что, как было отмечено выше, наш организм состоит из растворённых солей и белков. В данном случае речь идёт о солях. Что такое растворённая соль? Это дуэт связанных между собой положительных катионов и отрицательных анионов кислот. Например, раствор хлорида калия — это K + и Сl – и т. д. Кстати, физиологический раствор, который широко используется в медицине для внутривенных вливаний, представляет собой раствор хлорида натрия — NaCl (поваренной соли) в концентрации 0,9%.
Таким образом, чтобы восстановить утраченные силы, необходимо поработать. Задумайтесь, тут скрывается реальный парадокс. Когда клетка работает, то на уровне клеточной мембраны этот процесс протекает пассивно, а для того чтобы отдохнуть, ей требуется энергия.
Мозг взрослого человека весит в среднем 1300 г. Эту массу составляет 10 10 нервных клеток. Такое огромное количество нейронов! С помощью каких механизмов возбуждение с одной клетки попадает на другую?
А дальше всё пошло гораздо быстрее. Оказалось, открытый Леви принцип общения нервов с мышцами универсальный. С помощью такой системы общаются не только нервы и мышцы, но и сами нервы друг с другом. Однако, несмотря на тот факт, что принцип такой коммуникации один, посредники, или, как впоследствии их стали обозначать, медиаторы (от латинского слова mediator — посредник), могут быть разные. У каждого нерва он свой, как пропуск. Эту закономерность установил английский фармаколог Генри Дейл, за что тоже был удостоен Нобелевской премии. Итак, язык нейронного общения стал понятен, оставалось лишь только увидеть, как эта конструкция выглядит.
Как работает синапс
Нужно ли говорить о значимости открытий в области электрофизиологии? Достаточно сказать, что за приоткрытие завесы в мир живого электричества присуждено семь Нобелевских премий. Сегодня львиная доля фармацевтической промышленности построена на этих фундаментальных открытиях. К примеру, сейчас поход к дантисту не такое уж страшное испытание. Один укол лидокаина — и в месте инъекции Na + -каналы временно заблокируются. И вы уже не почувствуете болезненных процедур. У вас заболел живот, врач назначит препараты (но-шпа, папаверин, платифилин и т. д.), в основе действия которых — блокада рецепторов, чтобы с ними не мог связаться медиатор ацетилхолин, запускающий многие процессы в желудочно-кишечном тракте, и т. д. В последнее время активно развивается серия фармакологических препаратов центрального действия, направленных на улучшение памяти, речевой функции и мыслительной деятельности.
Файлы: 1 файл
Электричество в организмах.doc
Муниципальное общеобразовательное учреждение
Электричество в живых организмах
по дисциплине “ Физика ”
Гораздо менее известно, что электрические явления играют столь же важную роль в работе всех других органов человека и животных: желудка, почек, желез и т. д. Более того, кого бы из представителей живой природы мы ни взяли: мельчайшую бактерию или самого большого из зверей — голубого кита, гриб боровик или лакомящуюся им белку — их жизнедеятельность неразрывно связана с разнообразными электрическими явлениями.
Мы далеко не всегда знаем даты, связанные с великими учеными прошлого. Например, неизвестен день рождения Аристотеля. Тем более трудно говорить о дне рождения науки. Кажется, что она развивается непрерывно и время ее рождения можно определить только, скажем, с точностью до десятилетия, а порой и столетия. Но вот науке электробиологии в этом отношении повезло — ее днем рождения считается 26 сентября 1786 г. В этот день итальянский врач и ученый Луиджи Гальвани сделал важное открытие. Работа, которая привела к этому открытию, началась с одного наблюдения.
Историческая экспозиция
Итак, 1786 год, конец XVIII века — века Просвещения, который для науки был тем же, чем XV — XVI века — века Возрождения — были для искусства.
В сущности, естественные науки в подлинном смысле этого слова возникли именно в эту эпоху. Изменилось само содержание таких понятий, как наука, ученый; теперь ученым считали не богослова, а исследователя природы. К концу XVIII века в науку прочно вошел экспериментальный метод, который продемонстрировал свою силу; появились такие приборы, как микроскоп и телескоп. Возникла вера в силу и могущество науки, надежда, что развитие науки и распространение знаний изменит облик мира.
В век Просвещения велась широкая пропаганда науки — устная и печатная. Во Франции с 1761 по 1788 гг. издается знаменитая энциклопедия, где были изложены основные достижения науки. Выходит много учебников, научных и научно-популярных книг. Ученые читают публичные лекции, на которые ходят люди самого разного общественного положения.
Живой интерес к науке проявляли представители самых разнообразных слоев общества. Придворные дамы и кавалеры стали уже не только разыгрывать пасторали-балеты и сочинять латинские стихи, но и собирать гербарии; богачи хвастались не только столовым серебром работы Челлини, но и коллекциями редких бабочек или садом с заморскими растениями.
Экспериментальный метод вошел в это время не только в научные исследования, но и в преподавание, и в пропаганду науки. Возник, как сейчас бы сказали, настоящий экспериментальный бум. Опыты демонстрировались не только среди специалистов, в научных кружках, лабораториях любителей, но и на публичных лекциях и даже в придворных салонах (интересоваться наукой было модно и среди коронованных особ). Иногда даже опыты проходили на глазах у всего народа (вспомним, например, знаменитые Магдебургские полушария). Опытам часто придавали интересную форму — опыт должен быть сродни фокусу, с неожиданным эффектом.
Немного о Гальвани
Луиджи Гальвани родился в Болонье 9 сентября 1737 г. Внешне его жизнь была ничем не примечательна. В 1759 г. он окончил Болонский университет (один из самых старых в Европе: он основан еще в 1119 г.) и остался в нем работать. Он занимался медициной и анатомией. Его диссертация была посвящена строению костей; кроме того, он изучал строение почек и уха птиц, Гальвани получил ряд новых данных, но опубликовать их ему не пришлось, так как чуть раньше большинство этих фактов были описаны итальянским ученым А. Скарпа. Эта первая научная неудача не обескуражила Гальвани. В 1762 г. в возрасте 25 лет Гальвани начал преподавать медицину в Болонском университете, через год стал профессором, а в 1775 г. — заведующим кафедрой практической анатомии. Он был прекрасным лектором, и его лекции пользовались большим успехом у студентов. Много работал он и как хирург. Медицинская практика и преподавательская работа отнимали много времени, но Гальвани как истинный сын своей эпохи не бросал и чисто научную работу: и описательную, и особенно экспериментальную. С 1780 г. Гальвани начал работу по физиологии нервов и мышц, которая принесла ему всемирную славу и множество неприятностей.
Что такое ЭКГ, ЭМГ, ЭЭГ?
С появлением чувствительных электроизмерительных приборов стало возможным улавливать электрические сигналы работающего сердца, прикладывая электроды не прямо к сердечной мышце, а к коже. Сто лет назад, в 1887 г. впервые удалось зарегистрировать таким способом ЭКГ человека. Это было сделано английским ученым А. Уоллером с помощью капиллярного электрометра. (Основу этого прибора составлял тонкий капилляр, в котором ртуть граничила с серной кислотой; при пропускании тока через такой капилляр поверхностное натяжение на границе жидкостей менялось, и мениск смещался по капилляру.) Этот прибор был неудобен в использовании и широкое применение электрокардиографии началось позже, после появления, в 1903 г. более совершенного при-бора — струнного гальванометра Эйнтховена(рис.1). Работа этого прибора основана на движении проводника с током в магнитном поле. Роль проводника играла посеребренная кварцевая нить диаметром в несколько микрометров, туго натянутая в магнитном поле. При пропускании по этой струне тока она слегка изгибалась. Эти отклонения наблюдались с помощью микроскопа. Прибор обладал малой инерцией и позволял регистрировать быстрые электрические процессы. После появления этого прибора в ряде лабораторий начали детально изучать, чем отличается ЭКГ здорового сердца и сердца при разных заболеваниях. За эти работы В. Эйнтховен получил в 1924 г. Нобелевскую премию, а советский ученый А. Ф. Самойлов, много сделавший для развития электрокардиографии, получил в 1930 г. Ленинскую премию. В результате следующего шага в развитии техники (появления электронных усилителей и самописцев) электрокардиографы стали использоваться в каждой крупной больнице.
Какова природа ЭКГ? При возбуждении любого нервного или мышечного волокна ток в одних его участках втекает через мембрану внутрь волокна, а в других — вытекает наружу. При этом ток обязательно течет по наружной среде, окружающей волокно, и создает в этой среде разность потенциалов. Это позволяет регистрировать возбуждение волокна с помощью внеклеточных электродов, не проникая внутрь клетки. Сердце — это достаточно мощная мышца. В ней синхронно возбуждается много волокон, и в среде, окружающей сердце, течет достаточно сильный ток, который даже на поверхности тела создает разности потенциалов порядка 1 мВ.
Скелетные мышцы тела тоже генерируют потенциалы, которые можно регистрировать с поверхности кожи. Однако для этого требуется более совершенная аппаратура, чем для регистрации ЭКГ. Отдельные мышечные волокна обычно работают асинхронно, их сигналы, накладываясь, друг на друга, частично компенсируются, и в результате получаются меньшие потенциалы, чем в случае ЭКГ. Электрическая активность скелетной мышцы называется электромиограммой — ЭМГ. Впервые ПД мышечных волокон человека обнаружил, прослушивая их с помощью телефонного аппарата, русский ученый Н. Е. Введенский еще в 1882 г. В 1907 г. немецкий ученый Г. Пипер использовал для их объективной регистрации струнный гальванометр. Однако это был сложный и трудоемкий метод. Только после того как в 1923 г. появился катодный осциллограф и электронная техника, электромиография стала усиленно развиваться. Сейчас ее широко применяют в науке, в медицине, в спорте, а также для биоуправления, Одно из первых замечательных применений биоуправления с помощью ЭМГ — создание протезов для людей, потерявших руку. Такие протезы впервые были созданы в нашей стране.
А что такое ЭЭГ?
Читайте также: