Электричество в живых организмах

Кроме ЭЭГ — колебаний  потенциала мозга в отсутствие специальных воздействий, существует еще и другая форма потенциалов мозга — вызванные потенциалы (ВП). ВП — это электрические реакции, возникающие в ответ на вспышку света, звук и т. д. Так как на яркую вспышку света отвечают почти одновременно сразу много нейронов мозга, то ВП обычно имеют гораздо большую величину, чем ЭЭГ. Не случайно они были обнаружены гораздо раньше, чем ЭЭГ (в 1875 г. англичанином  Кетоном и независимо от него в 1876 г. русским исследователем В. Я. Данилевским). С помощью ВП можно решать интересные научные задачи. Например, после вспышки света ответ (ВП) раньше всего возникает в затылочной области мозга. Отсюда можно сделать вывод, что именно в эту область поступают сигналы о свете. При электрическом раздражении кожи ВП возникают в темной области мозга. При раздражении кожи руки они возникают в одном месте, кожи ноги — в другом. Можно составить карту таких ответов и эта карта показывает, что поверхность кожи дает проекцию на теменную область коры мозга человека. Интересно, что при этом проектировании нарушаются некоторые пропорции, например, проекция кисти руки, оказывается непропорционально большой. Да это и естественно: о руке мозгу нужна гораздо более подробная информация, чем, например, о спине.

 

• Электрические рыбы

Первыми объектами, свидетельствующими о наличии электрических явлений в живой природе, были рыбы. Ещё древние римляне знали, как электрические скаты добывают себе пищу: они не гоняются за добычей, не сидят в засаде, но у крабов или осьминогов, оказавшихся рядом со спокойно плывущими в воде скатами, начинаются конвульсии, и они гибнут от электрического разряда. Очевидно, скаты являются «живыми электростанциями». Уже тогда возникла идея использования разряда электрических рыб как лечебного средства. За 30 лет до н.э. Диаскард лечит подагру и хронические головные боли разрядами, возникающими при прикосновении к электрическому угрю. Из русских летописей XIV в. видно, что это удивительное исцеляющее средство было известно и русским. Рассказывают о диковинных рыбках, своим касанием вызывающих лечебное действие.

Наблюдения  показали, что многие рыбы имеют особые электрические органы, своего рода «батареи», вырабатывающие большое напряжение. Так, гигантский электрический скат создает напряжение (в разряде) 50-60 В (рис.2), нильский электрический сом - 350 В (рис.3) , а угорь электрофорус - свыше 500 В (рис.4)! Удивительным является то обстоятельство, что на тело самой рыбы это высокое напряжение никакого действия не оказывает. Вот где тайны электризации!

Электрические органы состоят из мышц, которые потеряли способность к сокращениям: мышечная ткань служит проводником, а соединительная - изолятором. К органу идут нервы от спинного мозга, а в целом он представляет собой мелкопластинчатую структуру из чередующихся элементов, образующих колонку. Такие органы расположены вдоль всего тела. Например, у угря каждый электрический орган содержит около 70 колонок, а каждая колонка - от б до 10 тыс. последовательно соединённых элементов. У взрослых особей на эти органы приходится около 40% всей массы тела.

• Живые ткани

Электрическое сопротивление отдельных участков тканей зависит преимущественно от сопротивления слоя кожи. Через кожу ток проходит главным образом по каналам потовых и отчасти сальных желез. Сила тока зависит от толщины и состояния поверхностного слоя кожи. Рассмотрим строение кожи.

Кожа - наружный покров тела площадью около 2 м². Кожа состоит из трёх основных слоев. Наружный слой - эпидермис - образован многослойной эпителиальной тканью, которая постоянно слущивается и обновляется за счёт размножения более глубоко расположенных клеток. Под слоем эпидермиса расположен слой соединительной ткани - дерма. Здесь находятся многочисленные рецепторы, сальные и потовые железы, корни волос, кровеносные и лимфатические сосуды. Самый глубокий слой - подкожная клетчатка - образован жировой тканью, которая служит «подушкой» для внутренних органов, изолирующим слоем, «складом» питательных веществ и энергии.

Основная  функция кожи - защитная (предохранение от механических воздействий, воспрепятствование попаданию в организм посторонних веществ, болезнетворных микробов).

Электрическое сопротивление человеческого тела определяется в основном сопротивлением поверхностного рогового слоя кожи - эпидермиса. Тонкая, нежная и особенно покрытая потом или увлажнённая кожа, а также кожа с поврежденным наружным слоем эпидермиса хорошо проводит электрический ток. Сухая, огрубевшая кожа является плохим проводником. В зависимости от состояния кожи и пути тока, а также приложенного напряжения сопротивление тела человека составляет от 0,5 до 100 кОм.

 

 

Электричество в растениях

 

 

Впервые ученым из Стенфорда  удалось получить небольшой электрический  ток из клеток водорослей. Клетки вырабатывают электричество во время фотосинтеза - процесса, с помощью которого растения преобразовывают солнечный свет в химическую энергию. Ученые заявили, что это можно считать первым шагом к экологически чистому процессу создания биоэлектричества, который не будет загрязнять окружающую среду углекислым газом.

 

Команда исследователей разработала уникальные, ультра-острые наноэлектроды изготовленные из золота, спроектированные специально для ввода внутрь клетки. Они аккуратно  вводят их через мембрану, которая защищает клетку, при этом клетка остается жива. Электрод собирает электроны, которые были сгенерированы в фотосинтезирующей клетке светом, генерируя небольшой электроток.

 

Растения используют фотосинтез для конвертации энергии  света в химическую энергию, которая хранится в виде сахаров, которые они используют как питательные вещества. Этот процесс происходит в хлоропластах, клеточных электростанциях которые производят сахара и придают листьям и водорослям зеленый цвет. В хлоропластах, вода разделяется на кислород, протоны и электроны. Солнечный свет проникает в хронопласты и переводит электроны на более высокий энергетический уровень, после чего их захватывает протеин. Электроны двигаются по протеинам, которые захватывают все больше и больше энергии электронов для синтеза сахаров, пока не будет потрачена вся энергия электронов.

 

В этом эксперименте, ученые перехватывали электроны в тот  момент, когда они находились на самом высоком энергетическом уровне. Они помещали золотые электроды  в хронопласты клеток водорослей и откачивали оттуда электроны, генерируя небольшой электрический ток.

 

В результате, ученым удалось  добыть электричество экологически безопасным способом, не выделяя в  атмосферу углекислого газа. Единственными  побочными продуктами фотосинтеза были протоны и кислород.

 

Исследователи рассказали, что им удалось добыть из одной клетки всего один пикоампер. Это настолько мизерная величина, что для того чтобы получить столько же энергии, сколько хранится в пальчиковой батарейке, понадобилось бы собирать энергию в течении часа с триллиона фотосинтезирующих клеток. К тому же, клетки погибают через час. По словам ученых, они могут умирать из-за крошечных утечек из мембраны в месте входа электрода в клетку или из-за потери энергии, которая необходима им для нормального протекания процессов жизнедеятельности. Они заявляют, что следующим шагом будет модернизация устройства электрода, с целью продления жизни клетки.

 

Метод добывания электронов из живых клеток эффективнее сжигания биотоплива, так как биотопливо содержит всего 3-6% доступной солнечной энергии. Разработанный процесс не нуждается в поддержании горения, на которое тратится часть сохраненной энергии. КПД добывания электронов в этом исследовании достигало 20%. КПД может теоретически достигнуть и 100%. (Фотогальванические солнечные панели работают с КПД 20-40%)

 

В будущем исследователи  планируют использовать клетки растений с более крупными хронопластами, что увеличит площадь сбора электронов. Это позволит увеличить электрод и собирать больше электронов. С более живучими клетками и увеличенной собирающей способностью электрода, можно будет сделать процесс более масштабным.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

•Приложения

 

Рис.1

 

 

Рис.2

 

 

Рис.3

Рис.4

Рис.5