В жизни и на уроках физики мы часто сталкиваемся с таким понятием как электричество. Электричество окружает нас повсюду: оно есть в доме, на улице, в школе и даже в воздухе.
Разговор об электричестве начался ещё задолго до нашей эры. О нём знали древние египтяне, древние греки и римляне. Электричество всегда связывали с чем-то сильным, удивительным и неукротимым. Сам термин «электричество» был введён в 1600 году английским учёным Уильямом Гильбертом и с древнегреческого переводится как «янтарность».
Далее учение об электричестве активно развивали учёные XVIII и XIX веков
Путь к пониманию электрических процессов был довольно долгим и сложным. Однако, не смотря на все сложности, на сегодняшний день в науке уже сформировались фундаментальные и важнейшие представления об электричестве.
Электричество – это совокупность явлений, обусловленных наличием, движением и взаимодействием заряженных частиц, создающих вокруг себя электрические и электромагнитные поля, воздействующие на другие такие частицы.
Электричество, как сказано выше, непрерывно связано с заряженными частицами. Заряд – это фундаментальная характеристика, такая же, как, например, масса или сила. Электрический заряд характеризует электромагнитное взаимодействие. Всего в природе существуют два типа электрических зарядов – положительный (+) и отрицательный (–). Взаимодействие и движение заряженных частиц описывает закон электростатического взаимодействия: одноимённые заряды отталкиваются, разноимённые заряды притягиваются. Наименьшей частицей, обладающей отрицательным зарядом является электрон, а положительным – протон. Эти частицы ходят в состав атомов, из которых построены все физические тела. Благодаря их движению и взаимодействию происходят изменения и превращения всей видимой материи.
Электричество сегодня настолько распространено, что им пользуются практически все люди на планете. На электричестве работают автомобили, заводы, бытовые приборы и всё, что нас окружает, а электроэнергия – один из самых дешёвых и доступных видов энергии.
Замечая вокруг себя такие масштабы генерации и потребления электроэнергии, изучая электричество в школе, возникает вопрос: «А существует ли электричество внутри нас?».
Впервые вопросом о существовании электричества в живых организмах занялся итальянский учёный Луиджи Гальвани. С этим связана одна интересная история:
Однажды сеньора Гальвани, жена того самого учёного, прогуливалась по рынку. В поисках лягушачьих лапок она забрела на мясную лавку. День тогда был ненастный, дул сильный ветер. Вдруг сеньоре открылась ужасная картина: лапки мёртвых лягушек, соприкасаясь с железными перилами, вздрагивали, словно живые. Сеньора тут же побежала домой и рассказала всё мужу. Она так надоедала супругу своими рассказами о близости мясника с нечистой силой, что профессор решил сам выяснить, что же происходит на самом деле.
Луиджи Гальвани провёл свой похожий опыт: он подвесил лягушачьи лапки на медных крючках к железным перилам балкона. Позже учёный заметил, что лапки, соприкасаясь о железные перила, сокращались. Это был тот самый счастливый случай, который разом перевернул жизнь итальянского анатома и физиолога. Гальвани пришёл к выводу, что в мышцах лягушки существует особое «животное электричество», которое является причиной сокращения.
Слух о существовании «животного электричества» распространился очень быстро. Опытом Гальвани заинтересовался другой итальянский учёный – Алессандро Вольта. Он провёл схожий опыт и пришёл к выводу, что электричество возникает из-за наличия двух разнородных металлов («гальванической пары»), соединённых электролитом (в данном случае это ткани и тканевое вещество лягушки). То есть он отверг идею существования биологического электричества и утверждал, что внутри живых тканей электрические импульсы самостоятельно генерироваться не могут.
В свою очередь Гальвани, в ответ Вольте, решил доказать истинность своей теории другим опытом. Луиджи Гальвани, как и в тот раз, приготовил нервно-мышечный препарат лягушки, но в этот раз вместо металлов использовал диэлектрик – стеклянную палочку. Конец седалищного нерва он набрасывал стеклянным крючком на предварительно поврежденный участок икроножной мышцы лягушки и наблюдал её сокращение.
Таким образом, Луиджи Гальвани всё-таки доказал существование животного электричества. За это открытие, он получил огромную популярность среди учёных. На опытах Гальвани построены основы электрофизиологии, в его часть названа научная теория – «гальванизм».
Окончательно существование биоэлектричества доказал другой итальянский учёный Карло Маттеуччи. Он провёл собственный опыт. Он разрезал грудную клетку лягушки и обнажил её сердце. Далее он приготовил нервно-мышечный препарат, нерв обработал глицерином и уложил его на сердце лягушки. Сердце генерирует и посылает электрические импульсы на нерв, и лапка начинает сокращаться в такт сердечному ритму. Данный опыт получил название Вторичного тетануса.
Существуют разные варианты этого опыта, однако его смысл всегда сводится к факту, что электрические импульсы, которые генерируются в одной части тела, могут передаваться на другие участки тела и также их возбуждать.
Как мы видим, множество учёных проводили опыты по обнаружению электричества в живых тканях, однако никто долгое время не мог объяснить, как и почему это электричество возникает.
В настоящее время электрические явления объясняет Мембранно-ионная теория, сформулированная Ходжкином, Хаксли и Катцем.
Теория гласит, что в организме животных и человека существуют так называемые возбудимые ткани, деятельность которых напрямую связана с электричеством. Они способны генерировать, воспринимать и передавать электрические импульсы. К таким тканям относятся нервная и мышечная.
Но как им это удаётся?
Возникновение электрических явлений обеспечивают множество мельчайших заряженных частиц - ионов. Ионы есть в каждой клетке. Мембрана клетки в состоянии покоя проницаема для одних ионов и непроницаема для других. Ионы могут перемещаться внутрь клетки или наружу из клетки. Для этого в мембране есть огромное количество ионных каналов и насосов, выкачивающих из клетки одни ионы (Na), и закачивающих другие (K). Таким образом, в результате деятельности белков мембраны, внутри и снаружи клетки формируется различный, неоднородный ионный состав. Наружу из клетки как правило выходят положительно заряженные ионы (катионы K, Na), так как мембрана для них проницаема, а внутри клетки остаются отрицательно заряженные ионы (анионы), так как мембрана для них непроницаема. Поэтому с одной стороны мембрана заряжается положительно (+), а с другой - отрицательно (-). В результате этого возникает разность потенциалов между наружной и внутренней стороной мембраны, то есть трансмембранное напряжение.
Разность потенциалов в состоянии относительного физиологического покоя клетки называется потенциалом покоя, или мембранным потенциалом.
Мембранный потенциал (потенциал покоя) – это разность потенциалов между наружной и внутренней поверхностью мембраны в состоянии относительного физиологического покоя клетки.
Это тот случай, который мы описали ранее: клетка находится в покое, на неё не действуют раздражители, и она по определению имеет потенциал покоя. Мембранным потенциалом в норме обладают все клетки возбудимых тканей. Во время потенциала покоя K+ - каналы открыты, а Na+ - каналы закрыты. Поэтому в состоянии покоя клеточная мембрана проницаема для ионов калия и не проницаема для ионов натрия. Ионы калия по градиенту концентрации движутся из клетки наружу до того момента, пока их количество не выровнится внутри и снаружи клетки. Для ионов натрия мембрана практически непроницаема. Не смотря на то, что с внешней стороны клетки их намного больше, они продолжают выкачиваться из клетки наружу с помощью белковых натрий-калиевых насосов.
Натрий-калиевый насос – это белковый комплекс, встроенный в мембрану клетки, который обеспечивает транспорт Na+из клетки наружу, а также участвует в транспорте K+.
Такой транспорт уже идёт против градиента концентрации («против направления силы диффузии», то есть из области меньшей концентрации в область большей концентрации), на него тратится энергия АТФ. Благодаря избирательному транспорту ионов создаётся их разная концентрация на внешней и внутренней поверхности мембраны. Снаружи больше натрия Na+, а внутри – калия K+.
Однако если подействовать на возбудимую ткань каким-либо раздражителем, то всё резко изменится. Клетки ткани начнут резко возбуждаться в ответ на внешний стимул, и в этот момент по ткани пронесётся волна возбуждения – потенциал действия.
Потенциал действия – это волна возбуждения, распространяющаяся по мембране клетки при её раздражении в результате какого-либо воздействия.
Во время потенциала действия в клетке происходят молниеносные изменения: клеточная мембрана начинает перезаряжаться. K+ - каналы закрываются, а Na+ - каналы, наоборот, открываются. На внешней поверхности мембраны клетки натрия больше, поэтому, когда натриевые каналы открываются, ионы Na+ устремляются внутрь клетки по градиенту концентрации. Всё это происходит волнообразно: на мембране участок за участком деполяризуется за счёт поступающего внутрь натрия, и вновь реполяризуется (возвращается к исходному спокойному состоянию) за счёт выхода ионов K+на наружную поверхность мембраны. Возбуждение (потенциал действия) распространяется затем и на другие клетки ткани, вызывая в них такие же процессы.
В результате по возбудимой ткани очень быстро проносится волна электрического тока, электрический импульс достигает каждой клетки. Ткань возбуждается. Причём при возбуждении заряды не выравниваются с обеих сторон мембраны, и клетка по итогу не разряжается. Наоборот, разность потенциалов как будто переворачивается с ног на голову: из-за резкого и интенсивного притока натрия в клетку, в ней создаётся избыточный положительный заряд, в результате чего внутренняя поверхность мембраны заряжается положительно, а наружная – отрицательно.
Затем, когда клетка уже возбудилась и передала возбуждение дальше, происходит реполяризация мембраны. При реполяризации возбуждение клетки снимается, и восстанавливается исходное спокойное состояние клетки: вновь закрываются Na+- каналы, открываются K+ - каналы. В данный момент в клетке одновременно много натрия (Na+) и калия (K+). Поэтому, находясь рядом и имея один заряд (+), эти ионы электростатически отталкиваются друг от друга. Натрий сам по себе клетку покинуть не может, так как мембрана для него непроницаема. Поэтому клетку покидают именно ионы калия, вызывая не просто послабление положительного заряда внутри, а повторное перезаряжание мембраны. За счёт того, что огромное количество положительно заряженных ионов калия вышло из клетки, на внутренней поверхности мембраны вновь устанавливается отрицательный заряд. Далее за счёт работы натрий-калиевого насоса ионы натрия постепенно выкачиваются из клетки, а ионы калия, наоборот, возвращаются в клетку. Калий вновь закачивается в клетку. Этому также способствуют и K+- каналы, которые, как мы помним, в этот момент открыты.
Таким образом, потенциал покоя регенерируется, а клетка вновь обретает нормальную разность потенциалов. Иногда во время реполяризации калия из клетки по инерции выкачивается слишком много. Это создаёт ещё большую разность потенциалов между внутренней и внешней стороной мембраны. Этот процесс называется следовой гиперполяриацией.
Однако мембранно-ионная теория лишь в общем объясняет процессы возбудимости и раздражимости. На самом деле явления электрофизиологии устроены намного сложнее. К тому же, у разных царств организмов есть свои особенности и индивидуальности в выработке электричества, поэтому одна теория не может охватить все процессы сразу. Но самое главное, что даёт нам мембранно-ионная теория, это фундамент понимания биоэлектрических процессов в организме. При изучении разных организмов, мы в первую очередь будем пользоваться ей.
Установлено, что процессы электрической возбудимости и проводимости в своей работе использует нервная система. Основной вид её деятельности – это рефлекс, поэтому главный её принцип работы – рефлекторный.
Рефлекс – реакция организма на изменения внешней или внутренней среды, осуществляемая и контролируемая нервной системы для поддержания стабильности в организме.
Рефлекс осуществляется за счёт системы связей между внутренними органами и центральной нервной системой. Обмен информацией между разными отделами нервной системы как раз происходит с помощью электрических импульсов. Электрические сигналы, идущие по нервам от рецепторов, возбуждают головной и спинной мозг, информируя обо всех изменениях в теле. В ответ на это центральная нервная система посылает ответные импульсы-команды, оказывающие регуляторное действие на работу органов, стабилизируя организм.
Самая малая биологическая система, использующая для получения энергии электрохимические потенциалы, это клетка. В каждой клетке ежесекундно происходит генерация огромного количества электрохимических потенциалов. За счёт энергии электрохимического градиента, преобразуемой в энергию АТФ, мы с вами и живём. Процесс преобразования электрохимической энергии в энергию химических связей АТФ в эукариотических клетках идёт в особых органоидах – митохондриях. Митохондрии называют энергетическими станциями клетки, поскольку именно в них происходит биологическое окисление и запасание энергии в виде АТФ.
Митохондрии – это двумембранные органоиды, в которых происходят процессы получения энергии.
В каждой клетке от нескольких десятков до нескольких сотен митохондрий. Митохондрия имеет две мембраны – наружную и внутреннюю. Внешняя мембрана гладкая, внутренняя имеет выросты – кристы. Внутри митохондрия заполнена матриксом – жидкой средой.
Перед тем как поступить в митохондрию, органические вещества проходят ряд превращений: глюкоза в цитоплазме клетки расщепляется на две молекулы ПВК; аминокислоты подвергаются дезаминированию (от них отщепляется аминогруппа) и расщепляются на мелкие ацетильные остатки; жирные кислоты также расщепляются до мелких ацетильных фрагментов. К ацетильным фрагментам, которые уже могут эффективно окисляться, присоединяется особый переносчик – кофермент А. Образуется Ацетил-коА, который поступает в матрикс митохондрий. Внутри митохондрий происходит цикл реакций – цикл Кребса. В ходе него ацетильные остатки органических мономеров окисляются до CO2 за счёт отщепления от них атомов водорода H. Атомы водорода присоединяются к особым переносчикам НАД+ и ФАД+, восстанавливая их до НАДHH+ и ФАДН2 соответственно. Эти переносчики переносят атомы водорода к внутренней мембране митохондрий, где и происходит их окисление.
Окислительное фосфорилирование – это метаболический процесс синтеза молекул АТФ за счёт энергии электрохимического потенциала, высвобождающейся при прохождении протонов по каналу АТФ-синтазы.
Убедившись в существовании электрических явлений внутри живого организма, можно смело сказать, что внутри живых организмов есть электричество. Это, впрочем, не удивительно: всё в масштабе Вселенной построено на четырёх типах фундаментального взаимодействия, среди которых важную роль играет электромагнитное. В совокупности с химически реализуемыми процессами на нашей планете, электричество даёт основу для существования жизни. Внутри нашего организма на каждом уровне организации есть огромное количество явлений, имеющих электрическую природу. Ведь жизнь и все жизненные процессы, несмотря на свою феноменальность, сверхъестественность и неповторимость, всё же имеют под собой реальную физическую основу в виде химических и электрических (электрохимических) взаимодействий.
Значение электричества в живых организмах:
1. Является материальной базой для существования организма и всех его частиц (атомов, молекул, ионов), а также обеспечивает их взаимодействие и приведение к единому целому. Следовательно:
2. Электричество есть во всех живых организмах, оно имеет электрохимическую природу. На более высоком и самостоятельном уровне оно проявляется в виде электрических импульсов и микротоков.
3. На электрической основе построены важнейшие физиологические системы в нашем организме, такие как, нервная регуляция, а также основана основная часть всех процессов жизнедеятельности, таких как: синтез и распад самых мелких органических соединений, получение энергии, осуществление всех регуляторных, моторных и ассоциативных механизмов в организме.
4. Многие организмы напрямую используют электричество в своей жизнедеятельности, какие-то почти не используют.
Данная работа является моей личной интеллектуальной собственностью. Копирование, распространение или любое иное использование информации без предварительного согласия правообладателя преследуется по закону.
Спасибо за внимание !