Биоэлектрическая активность живой ткани

Биоэлектрические явления в возбудимых тканях

Биоэлектрическая активность живой ткани

Природа возбуждения

I. Возбуждение представляет собой сложную совокупность фи­зических, химических и физико-химических процессов, в резуль­тате которых происходит быстрое и кратковременное изменение электрического потенциала мембраны.Первые исследования электрической активности живых тканей были проведены Л. Гальвани.

Он обратил внимание на сокращение мышц препарата задних лапок лягушки, подвешенной на медном крючке, при соприкосновении с железными перилами балкона (первый опыт Гальвани).

На основании этих наблюдений им был сделал вывод, что сокращение лапок вызвано «животным электричеством», которое возникает в спинном мозге и передает­ся по металлическим проводникам (крючку и перилам) к мыш­цам.

II. Физик А. Вольта, повторив этот опыт, пришел к другому за­ключению. Источником тока, по его мнению, является не спин­ной мозг и «животное электричество», а разность потенциалов, образующаяся в месте контакта разнородных металлов — меди и железа, а нервно-мышечный препарат лягушки является лишь проводником электричества.

III. В ответ на эти возражения Л. Галь­вани усовершенствовал опыт, исключив из него металлы. Он пре­парировал седалищный нерв вдоль бедра лапки лягушки, затем набрасывал нерв на мышцы голени, что вызывало сокращение мышцы (второй опыт Гальвани), тем самым доказав существова­ние «животного электричества».

IV. Позднее Дюбуа-Реймоном было установлено, что поврежден­ный участок мышцы имеет отрицательный заряд, а неповрежден­ный участок — положительный.

При набрасывании нерва между поврежденным и неповрежденным участками мышцы возникает ток, который раздражает нерв и вызывает сокращение мышцы Этот ток был назван током покоя, или током повреждения.

Так бы­ло показано, что наружная поверхность мышечных клеток заря­жена положительно по отношению к внутреннему содержимому.

В состоянии покоя между наружной и внутренней поверхностями мембраны клетки существует разность потенциалов, коте рая называется мембранным потенциалом (МП), или, если это клетка возбудимой ткани, — потенциалом покоя. Так как внутренняя сторона мембраны заряжена отрицательно по отношению к наружной, то, принимая потенциал наружного раствора за нуль МП записывают со знаком «минус». Его величина у разных клеток колеблется от минус 30 до минус 100 мВ.

Первая теория возникновения и поддержания мембранног потенциала была разработана Ю.Бернштейном (1902). Исходя и того, что мембрана клеток обладает высокой проницаемостью для ионов калия и малой проницаемостью для других ионов, он пока зал, что величину мембранного потенциала можно определить используя формулу Нернста

где Е — разность потенциалов между внутренней и наруж­ной сторонами мембраны; £ — равновесный потенциал для ио­нов калия; R — газовая постоянная; Т — абсолютная температура; л — валентность иона; F — число Фарадея; [К*]вд — внутренняя и [К*] — наружная концентрация ионов калия.

В 1949—1952 гг. А.Ходжкин, Э.Хаксли, Б.Катц создали со­временную мембранно-ионную теорию, согласно которой мем­бранный потенциал обусловлен не только концентрацией ионов калия, но и натрия и хлора, а также неодинаковой проницаемос­тью для этих ионов мембраны клетки.

Цитоплазма нервных и мышечных клеток содержит в 30 —50 раз больше ионов калия, в 8—10 раз меньше ионов натрия и в 50 раз меньше ионов хлора, чем внеклеточная жидкость. Проницаемость мембраны для ио­нов обусловлена ионными каналами, макромолекулами белка, пронизывающими липидный слой.

Одни каналы открыты посто­янно, другие (потенциалозависимые) открываются и закрыва­ются в ответ на изменения МП. Потенциал зависимые каналы подразделяются на натриевые, калиевые, кальциевые и хлор­ные.

В состоянии физиологического покоя мембрана нервных клеток в 25 раз более проницаема для ионов калия, чем для ио­нов натрия.

Таким образом, согласно обновленной мембранной теории асимметричное распределение ионов по обе стороны мембраны и связанное с этим создание и поддержание мембранного потенци­ала обусловлено как избирательной проницаемостью мембраны для различных ионов, так и их концентрацией но обе стороны от мембраны, а более точно величину мембранного потенциала можно рассчитать по формуле:

где PK, PN4, PCl— проницаемость для ионов калия, натрия и хлора.

Поляризация мембраны в покое объясняется наличием откры­тых калиевых каналов и трансмембранным градиентом концентра­ций калия, что приводит к выходу части внутриклеточного калия в окружающую клетку среду, т.е. к появлению положительного за­ряда на наружной поверхности мембраны.

Органические анио­ны — крупномолекулярные соединения, для которых мембрана клетки непроницаема, создают на внутренней поверхности мемб­раны отрицательный заряд. Поэтому чем больше разница концент­раций калия по обе стороны от мембраны, тем больше его выходит и тем выше значения МП.

Переход ионов калия и натрия через мембрану по их концентрационному градиенту в конечном итоге должен был бы привести к выравниванию концентрации этих ио­нов внутри клетки и в окружающей ее среде.

Но в живых клетках этого не происходит, так как в клеточной мембране имеются на­трий-калиевые насосы, которые обеспечивают выведение из клет­ки ионов натрия и введение в нее ионов калия, работая с затратой энергии.

Они принимают и прямое участие в создании МП, так как за единицу времени ионов натрия выводится из клетки больше, чем вводится калия (в соотношении 3:2), что обеспечивает постоян­ный ток положительных ионов из клетки. То что выведение натрия зависит от наличия метаболической энергии, доказывается тем, что под действием динитрофенола, который блокирует метаболи­ческие процессы, выход натрия снижается примерно в 100 раз. Та­ким образом, возникновение и поддержание мембранного потен­циала обусловлено избирательной проницаемостью мембраны клетки и работой натрий-калиевого насоса.

©2015-2018 poisk-ru.ru Все права принадлежать их авторам. Данный сайт не претендует на авторства, а предоставляет бесплатное использование.

Нарушение авторских прав и Нарушение персональных данных

Биоэлектрические явления

Начало изучения электрических явлений, возникающих в живых тканях, относится ко 2-й половине 18 в.

, когда было обнаружено, что некрые рыбы (электрический скат, электрический угорь) при охоте используют электрические разряды, оглушая и обездвиживая свою добычу.

Было высказано предположение, что распространение нервного импульса представляет собой течение вдоль нерва особой «электрической жидкости».

В 1791—1792 гг. итал. ученые Л. Гальвани и А. Вольта первые дали научное объяснение явления «животного электричества».

Своими, ставшими уже классическими, опытами они достоверно установили факт существования в живом теле электрич. явлений. Позже Б. я. были обнаружены и в растительных тканях.

С позиций современных представлений о Б. я. ясно, что все процессы жизнедеятельности неразрывно связаны с различными формами Б.

я. В частности, Б. я. обусловливают возникновение возбуждения и его проведение по нервным волокнам, являются причиной процессов сокращения мышечных волокон скелетных, гладких и сердечных мышц, выделительной функции железистых клеток и т. д. Б. я. лежат в основе процессов всасывания в жел.-киш.

тракте, в основе восприятия вкуса, запаха (см. Обоняние), в основе деятельности всех анализаторов и т. д. Нет физиологич. процесса в живом организме, к-рый в той или иной форме не был бы связан с Б. я.

Но что же такое собственно Б. я., откуда они берутся, каково их участие в процессах жизнедеятельности?

Для облегчения понимания сущности Б.

я. любой живой организм можно представить в виде сложной смеси жидкостей и различных химич. соединений. Многие из этих соединений (и поступающие в организм в виде пищи, и выделенные из него в процессе обмена веществ, и промежуточные вещества, образующиеся при обмене веществ) находятся в виде положительно или отрицательно заряженньгх частиц — ионов.

Перераспределение этих ионов и их транспорт, постоянно имеющие место в процессе Жизнедеятельности,— вот причина возникновения Б., я.

На практике все Б. я. определяют через разность электрич. потенциалов; между двумя точками живой ткани, к-рая может быть зарегистрирована спец. электрич. приборами — гальванометрами. С помощью микроэлектродов, напр.

, можно измерить разность потенциалов между наружной и внутренней сторонами оболочки (мембраны) клетки. Эту разность потенциалов называют потенциалом покоя, или мембранными потенциалом.

Наличие его обусловлено неравномерным распределением ионов (в первую очередь ионов натрия и калия) между внутренним содержимом клетгки (ее цитоплазмой) и окружающей клетку средой.

Величина мембранного потенциала различна: для нервной клетки она составляет 60—80 милливольт (.мв), для поперечнополосатых мышечных волокон — 80—90 мв, для воло- кон сердечной мышцы — 90—95 мв, причем для каждого типа клетки в покое величина потенциала строго определенная и отражает интенсивность обменных процессов, протекающих в этой клетке.

В возбужденной клетке регистрируется еще один вид потенциала — так наз.

потенциал действия, к-рый, в отличие от потенциала покоя, передвигается в форме волны возбуждения по поверхности клетки со скоростью до нескольких десятков метров в секунду.

В каждом возбужденном участке потенциал приобретает обратный знак. Возникновение потенциала действия связано с избирательным увеличением проницаемости клеточной мембраны для ионов натрия.

Существуют и другие виды потенциалов, в частности так наз. потенциал повреждения, или демаркационный потенциал. Этот вид электрич. активности регистрируется между поврежденным и интактным (неповрежденным) участками ткани.

Можно предположить, что его возникновение как бы стимулирует восстановительные (регенерационные) резервы клетки (ткани).

Б.

Возбудимые ткани Биоэлектрические явления в возбудимых тканях и

я. (по крайней мере те, к-рые мы только что рассмотрели) исторически возникли как способ более совершенной связи между отдельными образованиями многоклеточного организма.

Действительно, фактически существуют лишь две формы «общения» между клетками. Первая — наиболее древняя — связана с химич.

взаимодействием, при к-ром вещество, продуцируемое одной клеткой, достигает другую клетку и вызывает в ней ответную реакцию.

Эти вещества мы называем медиаторами, а в том случае, когда они передаются в пределах организма в целом на большие расстояния, их традиционно называют гормонами. Но такой способ общения не обеспечивает возможность быстрой передачи информации (напр., при необходимости отдернуть руки при внезапном прикосновенли к огню).

Поэтому природой был выработан другой, более совершенный способ сигнализации и передачи информации — с помощью электрич. импульсов, возникающих в клетке. Особенно отчетливо выражен этот способ в деятельности центральной нервной системы высших животных и человека.

Живой организм является не только генератором биопотенциалов, но и проводником электрич. тока, причем изменение степени электропроводности живых тканей в зависимости от их жизнедеятельности может служить показателем жизнеспособности (состояния) клеток или тканей.

Особой формой Б. я. служит так низ, электрокинетический потенциал, возникающий, напр., при движении крови по кровеносным сосудам. В этом случае появляется разность потенциалов между стенкой сосуда и движущейся кровью. Величина этого потенциала изменяется при некрых патологич. состояниях, что может быть использовано в диагностич. целях.

Возникновением различных форм биоэлектрич. активности сопровождается любой акт жизнедеятельности (мышечное сокращение, работа головного мозга, деятельность сердца и т.

д.). Регистрация их с помощью спец. аппаратуры расширяет наши возможности в изучении возникновения многих болезней, позволяет диагностировать их. При помощи записи и анализа суммарной электрич.

активности головного мозга проводят диагностику некрых нервных и психич. заболеваний. На основе изучения электрич, активности сердца определяют многие болезни сердечнососудистой системы и т. д.

На основе Б.

я., протекающих в мышцах, созданы биоэлектрич. протезы верхних и нижних конечностей.

Источник: https://ekoshka.ru/biojelektricheskie-javlenija-v-vozbudimyh-tkanjah/

БИОЭЛЕКТРИЧЕСТВО

Биоэлектрическая активность живой ткани
статьи

БИОЭЛЕКТРИЧЕСТВО, естественные электрические процессы в живых организмах, лежащие в основе многих физиологических и поведенческих реакций. К проблемам биоэлектричества относят также все эффекты, возникающие в организме на различных его уровнях при воздействии электричества от внешних источников.

Биоэлектричество в классическом понимании

В 1791 Л.Гальвани обнаружил, что если к изолированной мышце лягушки прикоснуться металлическим предметом, то мышца сократится. Он объяснил это явление существованием «животного электричества». Проанализировав опыты Гальвани, А.

Вольта пришел к заключению (1792), что электричество возникает в тот момент, когда металл касается мышцы; в дальнейшем его вывод лег в основу создания электрической батареи. Такие батареи стали использовать для лечения нервных и мышечных нарушений. Электротерапия широко вошла в медицинскую практику в 19 в.

, но с развитием биохимии и появлением новых лекарственных препаратов утратила прежнее значение.

Позже Гальвани показал, что мышцы лягушки сокращаются и в том случае, когда никаким металлическим предметом к ним не прикасаются.

Это привело к выводу, что процессы, протекающие в нервной системе, имеют электрическую природу и что сокращение мышцы происходит в ответ на электрический сигнал, проходящий по нерву.

Сигнал может возникать и произвольно; например, при подсоединении к нерву источника электрического тока последний генерирует нервный сигнал, запускающий мышечное сокращение. См. также БАТАРЕЯ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ; ЭЛЕКТРОХИМИЯ.

При достаточно большой силе тока, подводимого к ткани с помощью проводников или бесконтактным способом, выделяется тепло (на этом принципе основана работа микроволновой печи). Генерация тепла в тканях под действием электричества (диатермия) используется в лечебных целях.

Электрические сигналы регулируют работу сердца. Если через тело человека проходит электрический ток от внешнего источника, он нарушает сердечную деятельность и может вызвать остановку сердца и смерть. Электрический сигнал можно измерить, подведя проводники к любым двум точкам тела. У человека обычно исследуют электрические сигналы трех видов.

Электроэнцефалография регистрирует относительно слабый, быстро изменяющийся сигнал в головном мозге. Записываемая при этом кривая – электроэнцефалограмма (ЭЭГ) – используется в исследовательских и диагностических целях. Какова конкретная физиологическая роль этого сигнала в норме – неизвестно.

Электрокардиография регистрирует биоэлектрический потенциал работающего сердца; электрический сигнал в этом случае примерно в 100 раз мощнее. Электрокардиограмма (ЭКГ) широко используется для диагностики болезней сердца.

Сигнал третьего вида, поверхностный электрический потенциал, сравним по величине с генерируемым сердечной мышцей, но меняется медленнее. Его происхождение и роль неизвестны.

Примерно до начала 1940-х годов термин «биоэлектричество» использовали в тех случаях, когда речь шла о нейрофизиологических исследованиях, об измерениях описанных выше электрических сигналов у человека или (главным образом в историческом контексте) о применении электричества в терапии.

Биоэлектричество в современном понимании

Все проявления жизнедеятельности организма зависят от сложных последовательностей химических реакций, в основе которых лежит, в частности, явление электричества. Иногда соответствующие процессы можно изучать, не рассматривая эти силы в явном виде. Такой подход вполне применим при исследовании, например, регуляции экспрессии генов или механизма иммунного ответа.

Он гораздо менее успешен, когда речь идет о памяти, научении и регуляции регенеративных процессов. Трудности, с которыми сталкиваются исследователи, когда пытаются объяснить по крайней мере некоторые биологические явления – включая саму жизнь – исходя исключительно из биохимических концепций, заставляют их обратиться к биоэлектрическим факторам.

На эту проблему впервые обратил внимание в 1941 венгерский биохимик А.Сент-Дьёрдьи. Он пришел к выводу, что феномен жизни нельзя должным образом объяснить просто наличием каких-то химических веществ: необходимо, чтобы эти вещества находились в определенном электрическом состоянии.

Согласно этой точке зрения, живые и мертвые животные различаются по своему биоэлектрическому, а не биохимическому статусу. Эти идеи привели к возрождению интереса к биоэлектричеству.

Одним из первых результатов новых исследований в этой области стало обнаружение пьезоэлектрических свойств костной ткани, т.е. генерации в ней электричества при механическом воздействии (например, при нагрузке во время ходьбы).

Известно, что если костная ткань не испытывает регулярной механической нагрузки, то ее механические свойства утрачиваются. Возможно, пьезоэлектричество – это «передаточное звено» между внешним воздействием (нагрузкой) и внутренними процессами (образованием новой костной ткани).

Полученные экспериментальные данные подтверждают эту идею. Возможно, электротерапия окажется полезной при лечении инфекционных заболеваний, наркомании, рака.

Еще одно направление биоэлектрических исследований занимается изучением биологического эффекта высоковольтных линий электропередачи. Эти системы, а также радио- и телепередающие и радарные установки создают вокруг себя электромагнитное поле, которое может оказывать влияние на людей, постоянно живущих или работающих в нем.

Интерес к этой проблеме возник в связи с публикацией данных об изменении роста и развития, а также эндокринных и нервных нарушениях у людей и животных, подвергавшихся действию электромагнитных полей в лабораторных условиях.

В начале 1980-х годов появились данные о связи между длительным воздействием электромагнитных полей и развитием злокачественных опухолей, частотой самоубийств и возникновением других патологий.

Природные электрические и магнитные факторы оказывают несомненное влияние на жизненный цикл различных организмов. Бактерии, насекомые, птицы и, возможно, киты воспринимают магнитное поле Земли и используют эту способность для ориентации и навигации в поисках пищи и во время миграций.

Мы хорошо знаем, как устроены наши пять органов чувств – зрение, слух, обоняние, осязание, вкус; в них выявлены клетки, воспринимающие внешние стимулы, и нервы, по которым информация передается в мозг. Для большинства же биоэлектрических эффектов соответствующие клетки и пути передачи сигналов неизвестны.

Механизм восприятия клетками электромагнитных полей объясняется двумя теориями, причем обе постулируют принципиально новые процессы.

Согласно первой из них, между нервными клетками возможны кооперативные взаимодействия, зависимые от электромагнитных полей; согласно второй – восприятие поля происходит только в определенных условиях, а именно при наличии у клеток особого электрического статуса.

Еще одна теория объясняет связь между воздействием электромагнитного поля и развитием того или иного заболевания: предполагается, что это воздействие вызывает стресс, и если оно достаточно длительное, то происходит ослабление иммунной системы, соответственно снижаются адаптивные возможности организма и на этом фоне легко возникает болезнь. См. также БИОЛОГИЯ; БИОСФЕРА; БИОФИЗИКА; БИОХИМИЯ; НЕЙРОМЕДИАТОРЫ.

Источник: https://www.krugosvet.ru/enc/nauka_i_tehnika/biologiya/BIOELEKTRICHESTVO.html

Поделиться:
Нет комментариев

    Добавить комментарий

    Ваш e-mail не будет опубликован. Все поля обязательны для заполнения.