Электричество в живых организмах

Муниципальное общеобразовательное  учреждение

Гимназия №3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Электричество в живых  организмах

 

Курсовая работа

по дисциплине “ Физика ”

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Исполнитель _____________________

 

Класс              _____________________

 

Руководитель _____________________

 

 

 

 

 

 

 

 

Иркутск     2010

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Самим фактом, что в живых организмах происходят разнообразные электрические процессы, сегодня никого не удивишь. Это для нас так же привычно, как электрическое освещение или радиопередача. Почти каждый человек на протяжении жизни раз-другой снимал электрокардиограмму, и ее сокращенное название — ЭКГ — сейчас широко известно. Сокращение ЭЭГ (что означает электроэнцефалограмма) менее известно, но о том, что существуют биотоки мозга, тоже слышали все. Управление с помощью этих биотоков космическими кораблями или воссоздание картин, как в «Маракотовой бездне» А. Конан-Дойля или в «Аэлите» A. H. Толстого, встречаются пока еще только в фантастических романах, а вот биопротезы управляемые биотоками мышц, — реальность. Упомянутые нами примеры связаны с электрическими процессами в мозге и мышцах, где роль электричества проявляется наиболее ярко.

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.

Однако кроме  «животного электричества» у этой книги есть второй главный герой — наука электробиология. Действительно, все, что мы можем рассказать, является достижением этой науки.

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.

Вот как сам Гальвани описывает это в своем «Трактате  о силах электричества при  мышечном движении», вышедшем в 1791 г: «Я разрезал и препарировал лягушку и, имея в виду совершенно другое, поместил ее на стол, на котором находилась электрическая машина. При полном разобщении от кондуктора последней и на довольно большом расстоянии от него. Когда один из моих помощников острием скальпеля случайно очень легко коснулся внутренних бедренных нервов этой лягушки, то немедленно все мышцы конечностей начали так сокращаться, что казались впавшими в сильнейшие тонические судороги. Другой же из них, который помогал нам в опытах по электричеству, заметил, как ему казалось, что это удается тогда, когда из кондуктора машины извлекается искра... Удивленный новым явлением, он тотчас же обратил на него мое внимание, хотя я замышлял совсем другое и был поглощен своими мыслями. Тогда я зажегся невероятным усердием и страстным желанием исследовать это явление и вынести на свет то, что было в нем скрытого».

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?

ЭКГ — это электрокардиограмма, запись электрических сигналов сердца. То, что в сердце при возбуждении возникает разность потенциалов, было показано еще в 1856 г., в эпоху Дюбуа-Реймона. Опыт, доказывающий это, был поставлен Келликером и Мюллером точно по рецепту Гальвани: на изолированное сердце клался нерв, идущий к лапке лягушки, и этот «живой вольтметр» отвечал вздрагиванием лапки на каждое сокращение сердца.

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.

Для того чтобы больше узнать по ЭКГ о состоянии сердца, врачи записывают много кривых между разными точками тела. Для понимания этих кривых нужен большой опыт. С появлением вычислительной техники стало возможным в значительной мере автоматизировать процесс «чтения» ЭКГ. Вычислительная машина сравнивает ЭКГ данного больного с образцами, хранящимися в ее памяти, и выдает врачу предполагаемый диагноз (или несколько возможных диагнозов). Сейчас возникло много и других новых подходов к анализу ЭКГ.

 Очень интересным представляется такой способ. По потенциалам, зарегистрированным с многих  Электрокардиограмма (ЭКГ) точек тела, и их изменению во времени можно рассчитать, как движется волна возбуждения по сердцу, и какие участки сердца стали невозбудимы (например, поражены инфарктом). Расчеты эти весьма трудоемки, но они стали возможны с появлением ЭВМ. Такой подход к анализу ЭКГ был развит сотрудником Института проблем передачи информации АН СССР Л. И. Титомиром. Вместо многих кривых, в которых трудно разобраться, вычислительная машина рисует на экране сердце и распространение возбуждения по его отделам. Можно прямо видеть, в какой области сердца возбуждение идет медленнее, какие участки сердца вообще не возбуждаются и т. д. Потенциалы сердца были использованы в медицине не только для диагностики, но и для управления медицинской аппаратурой. Представьте себе, что врачу необходимо сделать рентгеновские снимки сердца в разные фазы его цикла, т. е., в момент максимального сокращения, максимального расслабления и т.д.; это бывает необходимо при некоторых заболеваниях, Но как поймать момент наибольшего сокращения? Приходится делать много снимков в надежде, что один из них попадет в нужную фазу. И вот советские ученые В. С. Гурфинкель, В. Б, Малкин и М. Л. Цетлин решили включать рентгеновскую аппаратуру от зубца ЭКГ. Для этого потребовалось не очень сложное электронное устройство, которое включало съемку с заданной задержкой относительно зубца ЭКГ». Остроумное само по себе решение задачи особенно интересно тем, что это было одно из первых (ныне многочисленных) устройств, в которых естественные потенциалы организма управляют теми или иными искусственными устройствами; эта область техники получила название биоуправления.

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?

Это электроэнцефалограмма, т. е. электрическая активность мозга, колебания потенциала, создаваемые работой нейронов мозга и регистрируемые прямо с поверхности головы. Нервные клетки, как и мышечные волокна, работают неодновременно; когда одни из них создают на поверхности кожи положительный потенциал, другие создают отрицательный. Взаимная компенсация потенциалов тут еще сильнее, чем в случае ЭМГ. В результате амплитуда ЭЭГ примерно в сто раз меньше, чем ЭКГ, поэтому их регистрация требует более чувствительной аппаратуры. Впервые ЭЭГ была зарегистрирована русским ученым В, В. Правдич-Немским на собаках с помощью струнного гальванометра; он вводил собакам кураре, чтобы более сильные мышечные токи не мешали регистрации токов мозга. В 1924 г. немецкий психиатр Г. Бергер начал в Йенском университете изучение ЭЭГ человека. Он описал периодические колебания потенциалов мозга, имеющие частоту около 10 Гц, которые называют альфаритмом. Он же впервые зарегистрировал ЭЭГ человека при припадке эпилепсии и пришел к выводу, что Гальвани был прав, предполагая, что при эпилепсии в нервной системе возникает участок, где токи особенно сильны (клетки там непрерывно возбуждаются с большой частотой). Поскольку речь шла об очень слабых потенциалах, зарегистрированных малоизвестным врачом, результаты Бергера долго не привлекали внимания; он сам опубликовал их только через 5 лет после сделанного открытия. Только после того как в 1930 г. их подтвердили знаменитые английские ученые Эдриан и Мэтьыос, на них была «...поставлена печать академического одобрения», по выражению Г. Уолтера, английского ученого, который занимался клиническими аспектами ЭЭГ в лаборатории Голла. В этой лаборатории были разработаны методы, которые позволяли по ЭЭГ определять местоположение опухоли или кровоизлияния в мозгу, подобно тому, как ранее научились по ЭКГ определять место инфаркта в сердце. В дальнейшем кроме альфаритма были открыты и другие ритмы мозга, в частности ритмы, связанные с разными типами сна. Существует масса проектов биоуправления с помощью ЭЭГ. Например, если у водителя все время регистрировать ЭЭГ, то можно с помощью ЭВМ определить момент, кода он начинает дремать, и будить его. К сожалению, все такие проекты пока трудно реализовать, так как амплитуда ЭЭГ очень мала.