Партнерка на США и Канаду по недвижимости, выплаты в крипто
- 30% recurring commission
- Выплаты в USDT
- Вывод каждую неделю
- Комиссия до 5 лет за каждого referral
Лекция 4
Биоэлектрические явления
Любой живой организм, в том числе и растительный, насыщен электричеством.
Значение электрических явлений на уровне целого растительного организма окончательно не выяснено, предполагается, что они выполняют информационную функцию.
На уровне клетки электрические явления связаны с информационной и транспортной функциями, электрический потенциал участвует в морфогенетических процессах.
На уровне органелл электрический потенциал обеспечивает энергетическую сопрягающую функцию мембран: превращение энергии электрического поля на мембране в энергию химических соединений, в частности, в энергию АТФ.
Изучение электрических параметров живых организмов имеет большое практическое значение. На основе их измерения разработано множество способов определения морозо-, засухо-, жаро-, солеустойчивости растений.
Мы рассмотрим два параметра, имеющих отношение к электрическим явлениям – электропроводность живых систем и биоэлектрические потенциалы.
Электропроводность – это свойство вещества проводить электрический ток. По степени электропроводности живые объекты относятся к полупроводникам.
Связь между электропроводностью и электрическим сопротивлением объекта описывается формулой:
а электрическое сопротивление связано с геометрическими характеристиками объекта формулой:
где ρ - удельное сопротивление (сопротивление проводника длиной 1 м и сечением 1 мм) - это характеристика материала;
l - длина проводника;
S - площадь проводника.
Согласно закону Ома падение электрического потенциала U на некотором сопротивлении R описывается формулой U=IR, где I – сила тока, протекающего через это сопротивление.
В металлических проводниках электрический ток проводят электроны, в биологической ткани проводниками тока служат ионы.
Движение постоянного электрического тока через живые объекты.
Поставим эксперимент. Пропустим постоянный электрический ток через сопротивление и зарегистрируем изменение тока во времени. Мы получим кривую, показанную на рисунке 1 (1): ток через сопротивление R будет оставаться постоянным в течение времени.
Рисунок 1 - Изменение силы тока при прохождении через обычный полупроводник (1) и через живую ткань (2)
Теперь поместим живую ткань в металлические электроды и пропустим через неё ток и будем измерять изменение его величины. Мы получим кривую (2): величина тока со временем будет уменьшаться.
Чтобы разобраться в причинах такого изменения тока, рассмотрим движение ионов в растворе.
До приложения тока наблюдается объёмная электронейтральность раствора – в единице объёма раствора содержится одинаковое количество положительных и отрицательных зарядов. После приложения тока к электродам, опущенным в раствор, начинается поляризация: движение заряженных частиц к противоположно заряженному электроду и их разделение. Это приводит к образованию электродвижущей силы (ЭДС), направленной в противоположную сторону по отношению к приложенному напряжению. Эта сила называется ЭДС поляризации, и, учитывая её, уравнение закона Ома можно записать в виде:
где E(t) - ЭДС поляризации, меняющаяся со временем;
Ещё одной причиной изменения силы тока в растворах связано с тем, что некоторые металлы могут в растворе подвергаются электрохимическому окислению, при этом заряд переходит на электрод, и степень поляризации снижается. Поэтому в биологических исследованиях очень часто используют хлорсеребряные электроды, которые практически не поляризуются при слабых токах.
Но даже если использовать неполяризующиеся электроды, всё равно наблюдается поляризация – она обусловлена гетерогенностью живых тканей и, в первую очередь, наличием мембранных структур.
Высокая поляризационная ёмкость – характерное свойство живых, неповреждённых клеток.
Разрушение тканей резко усиливает ток через них. На этом основан способ определения морозоустойчивости.
Прохождение переменного тока через живые объекты.
Внешняя клеточная мембрана – плазмалемма – в своей основе представляет липидный слой, который является диэлектриком. Поскольку с обеих сторон мембраны располагается проводящая среда, то вся эта система с точки зрения электротехники представляет собой конденсатор. Таким образом, переменный ток по живой ткани может проходить как по активным сопротивлениям, так и через электрические ёмкости, образованные многочисленными мембранами. Соответственно сопротивление прохождению переменного тока через живую ткань будут оказывать две составляющих: активная R - сопротивление движению зарядов по раствору, и реактивная X - сопротивление току электрической ёмкости на мембранных структурах. Реактивное опротивление имеет поляризационную природу, и его величина связана с величиной электрической ёмкости формулой:
где С – электрическая ёмкость, w - круговая частота, f – частота тока.
Эти два элемента могут быть соединены последовательно и параллельно.
Эквивалентная электрическая схема живой ткани – это соединение элементов электрической цепи, каждый из которых соответствует определённому элементу структуры изучаемой ткани.
Если мы учтём основные структуры ткани, то мы получим следующую схему:
Рисунок 2 - Эквивалентная электрическая схема живой ткани
Rц - сопротивление цитоплазмы, Rмж - сопротивление межклетников, См - электрическая ёмкость мембраны.
Понятие импеданса.
Импеданс – суммарное комплексное сопротивление активной и реактивной составляющих электрической цепи. Его величина связана с обеими составляющими формулой:
Z2 = R2 + X2
где Z - импеданс, R – активное сопротивление, X – реактивное сопротивление.
Величина импеданса при последовательном соединении реактивного и активного сопротивления выражается формулой:
Величина импеданса при параллельном соединении реактивного и активного сопротивления записывается в виде:
Если мы проанализируем как изменяется величина импеданса при изменении R и C, то придём к выводу, что и при последовательном и параллельном соединении этих элементов при увеличении активного сопротивления R импеданс увеличивается, а при увеличении С – уменьшается и наоборот.
Импеданс живой ткани – лабильная величина, которая зависит, во-первых, от свойств измеряемой ткани, а именно:
1) от структуры ткани (мелкие или крупные клетки, плотные или рыхлые межклетники, степень одревеснения клеточных оболочек);
2) оводнённости ткани;
3) содержания солей в клетках и межклетниках;
4) состояния мембран.
Во-вторых, на импеданс влияют условия измерения:
1) температура;
2) частота тестируемого тока;
3) схема электрической цепи.
При разрушении мембран различными экстремальными факторами будет наблюдаться уменьшение сопротивления плазмалеммы, а также апопласта за счёт выхода клеточных электролитов в межклеточное пространство.
Постоянный ток пойдёт главным образом по межклетникам и его величина будет зависеть от сопротивления межклеточного пространства.
Рисунок 3 - Измененение ёмкости (C) и сопротивления (R) ткани при изменении частоты переменного тока (f)
Преимущественный путь переменного тока зависит от частоты прикладываемого напряжения: с увеличением частоты всё большая доля тока будет идти через клетки (через мембраны), и комплексное сопротивление будет уменьшаться. Это явление – уменьшение импеданса при возрастании частоты тестирующего тока – называется дисперсией электропроводности.
Крутизна дисперсии характеризуется коэффициентом поляризации. Дисперсия электропроводности живых тканей является результатом поляризации при низких частотах, как и при постоянном токе. Электропроводность связана с поляризацией – по мере увеличения частоты поляризационные явления сказываются меньше. Дисперсия электропроводности, как и способность к поляризации присуща только живым тканям.
Если посмотреть, как изменяется коэффициент поляризации при отмирании ткани, то в первые часы он уменьшается довольно сильно, затем его падение замедляется.
Печень млекопитающих имеет коэффициент поляризации 9-10, печень лягушки 2-3: чем выше уровень метаболизма, тем выше коэффициент поляризации.
Практическое значение.
1. Определение морозоустойчивости.
2. Определение водообеспеченности.
3. Определение психоэмоционального состояния человека (прибор «Тонус»)
4. Компонент детектора лжи – полиграфа.
Основные порталы (построено редакторами)