Посредством электрических нервных импульсов (потенциалов действия) в живом организме передается информация от рецепторов к нейронам мозга и от нейронов мозга к мышцам. Организм животных является полностью электрифицированной системой.
Животное электричество известно давно. Разряды электрического угря (происходящие при напряжении до 600 В, с током около 60 А и длительностью порядка миллисекунды) использовались медициной еще в Древнем Риме для лечения головной боли, подагры, эпилепсии. Электрический нервный импульс открыл Луиджи Гальвани. Результаты его электрофизиологических опытов изложены в книге "Трактат о силах электричества при мышечном движении" (1791 г.). Гальвани открыл, что мышечные сокращения конечностей препарированной лягушки могут вызваться электрическим импульсом и что сама живая система является источником электрического импульса. Однако огромная популярность идей Гальвани привела к их профанациям, следы которых остались до нашего времени (гальванизация трупов, гальванизм прикосновений и взглядов и т.п.), что вызывало недоверие к экспериментам Гальвани ученых-физиков.
Размышляя о взаимодействии химических и электрических явлений, Фарадей сказал: "Как ни чудесны законы и явления электричества, которые мы наблюдали в мире неорганического вещества и неживой природы, интерес, который они представляют, вряд ли может сравниться с тем, что вызывает та же сила в соединении с нервной системой и жизнью". И в самом деле, ваша рука двигающая мышку, мышцы вашего глаза направили его на эти строки, другие мышцы изменили кривизну хрусталика, чтобы сфокусировать изображение букв на поверхности сетчатки. Все это произошло по приказу нервных импульсов, генерируемых в нервной клетке. Во многих биологических процессах мы при внимательном рассмотрении обнаружим электрохимические звенья.
В XIX веке утвердилось примитивное представление о распространении электрических токов по нервам, как по металлическим проводам. Однако Гельмгольцем (вторая половина XIX века) было показано, что скорость распространения нервного импульса составляет лишь 1-100 м/с, это значительно меньше, чем скорость распространения электрического импульса по проводам до 3 • 108 м/с. Поэтому к концу XIX века гипотеза электрической природы нервного импульса была отвергнута большинством физиологов. Было сделано предположение о распространении по нервным волокнам химической реакции. На самом деле, как было показано позже, медленное распространение электрического нервного импульса связано с медленной перезарядкой конденсаторов, которые представляют собой клеточные мембраны, через большие сопротивления. Постоянная времени перезарядки мембраны τ = RC велика, так как велики емкость мембраны C и сопротивление R нервного волокна.
То, что нервный импульс представляет собой импульс электрического тока, было доказано только к середине XX-го века, в основном в работах английского физиолога А. Ходжкина и его сотрудников. В 1963 году Ходжкину, Хаксли и Иклсу была присуждена Нобелевская премия по медицине "за оперирование нервных клеток".
Еще в середине XIX века была высказана мысль, что поверхность живой клетки имеет общие свойства с электродом в гальванической ячейке. Это оставалось гипотезой до середины 20-х годов XX века, когда стало ясно, что клетки окружены тонкой мембраной весьма сложной структуры. Отдельные части мембраны обладают полупроводниковыми или ионоселективными свойствами - пропускают ионы одного знака или одного элемента (либо натрия, либо калия, например). На такой избирательности основано появление мембранного потенциала, от которого зависит работа информационных и энергопреобразующих систем организма. Мембранный потенциал обеспечивает передачу нервных импульсов, с помощью которых мозг командует работой органов и тканей, а также преобразование химической энергии в механическую. В медицине на исследование электрических полей, созданных биопотенциалами органов и тканей, основаны диагностические методы: электрокардиография, электроэнцефалография, электромиография и другие. Практикуется и лечебное воздействие на ткани и органы внешними электрическими импульсами при электростимуляции. В процессе жизнедеятельности в клетках и тканях могут возникать разности электрических потенциалов:
- окислительно-восстановительные потенциалы - вследствие переноса электронов от одних молекул к другим;
- мембранные - вследствие градиента концентрации ионов и переноса ионов через мембрану.
Биопотенциалы, регистрируемые в организме, - это в основном мембранные потенциалы.
Нервная клетка, нейрон, представляет собой звездообразное тело и состоит из тонких отростков - дендритов и аксона - длинного отростка. Конец аксона переходит в тонкие волокна, которые оканчиваются в мышце или синапсах - местах соединения с другой клеткой. Клетка отделена от окружающей ее среды мембраной, играющей особую роль в образовании и передаче нервного импульса. Внутри клетки концентрация ионов калия намного больше, чем вне клетки, а концентрация ионов натрия - меньше. Благодаря этому на стенке клетки образуется двойной электрический слой. Так как мембрана в состоянии покоя хорошо проницаема для ионов калия и менее проницаема для ионов натрия, между внутренней частью клетки и внешней средой возникает разность потенциалов, составляющая 60-100 милливольт, причем внутренняя часть клетки заряжена отрицательно по отношению к околоклеточной жидкости. При раздражении клетки двойной электрический слой частично разряжается и, когда потенциал покоя снижается до 15-20 милливольт, пропускная способность мембраны по отношению к ионам натрия резко возрастает, и они устремляются внутрь клетки. Как только положительная разность потенциалов между внутренней и внешней поверхностями мембраны достигнута, поток ионов натрия иссякает. В тот же миг открываются каналы для ионов калия, и потенциал сдвигается в отрицательную сторону. Это, в свою очередь, уменьшает проводимость по иону натрия, и потенциал в конце концов достигает значения потенциала покоя. Образующийся в клетке сигнал распространяется по аксону за счет проводимости находящегося внутри него электролита. Если аксон имеет особую изоляцию - миелиновую оболочку, то электрический импульс проходит эти участки значительно быстрее, и общая скорость определяется величиной и количеством неизолированных участков.
Возбуждение и сокращение мышцы связано с переносом ионов натрия и калия через мембрану, окружающую мышечное волокно. Природа потенциала действия здесь та же, что и в аксоне, только основную роль играют ионы кальция. После возбуждения концентрация кальция резко увеличивается; это вызывает сокращение миофибрилл, состоящих из параллельно расположенных тонких нитей - белка актина и толстых нитей - белка миозина. По окончании сокращения кальций выводится обратно. Движение белковых нитей по отношению друг к другу, лежащее в основе сокращения мышц, нуждается в энергии. Энергию дает гидролиз универсального горючего, необходимого для функционирования биологических систем, - аденозинтрифосфорной кислоты, сокращенно АТФ. Синтезируется АТФ благодаря присутствию на внутренних поверхностях мембраны ферментов, осуществляющих реакцию окисления питательных веществ. Окисление порождает в мембране скачок потенциала. Постепенное сгорание питательных веществ можно уподобить электрохимической реакции, протекающей в топливном элементе.
Коэффициент полезного действия энергетических превращений в клетках может достигать 80 процентов.
Электричество внутри нас
Мы знаем, что наше тело работает с помощью электричества. Оно управляет мышцами и передаёт сигналы в нервной системе. Но откуда берётся электричество внутри нас? Где тот генератор разрядов и по каким проводам бежит ток?
Что такое электричество
Это совокупность явлений, обусловленных существованием, взаимодействием и движением электрических зарядов, говорит нам Википедия. Электрическими зарядами могут быть как элементарные электроны, так и протоны или даже ионы крупных химических элементов
Электроны в нашем организме напрямую для передачи электричества не используются. Протоны (ионы водорода — H+) используются для других целей: они создают кислую среду, например, в желудке
Для получения и передачи электричества в нашем теле используются ионы. В основном это два щелочных металла, потерявших по одному электрону: натрий (Na+) и калий (K+)
Минутка физики
Для того, чтобы понять, как в нас генерируется электричество нужно знать о двух физических явлениях
Напряжение
Эту характеристику тока знают все: она измеряется в вольтах. В розетке обычно 220 вольт и 0 пальцев (если это не так, нужно вызвать соответствующего специалиста). Другое название напряжения — разность потенциалов. Всё просто: если у нас в одной точке потенциал электрического поля равен 3 вольта, а в другой — 10 вольт, то напряжение между ними — 7 вольт!
Птички могут сидеть на высоковольтных проводах именно благодаря тому, что разность потенциалов (напряжение) между точками соприкосновения с проводом (лапками) невелика. Если же птичка внезапно решит продемонстрировать поперечный шпагат… Это будет искромётно!
Вот ещё одно полезное применение этого закона. Если вдруг вы попадёте в ситуацию с упавшим на землю электрическим проводом, отходите от него короткими шажками (не длиннее ступни) и вы будете в безопасности
Диффузия
Если концентрация какого-то вещества распределена неравномерно, то вещество будет стараться распространиться по всему объёму так, чтобы выровнять концентрацию. Когда вы кладёте ложку сахара в чай он не толпится в ложке. Сахар, в восторге крича «Да тут столько свободного места!» равномерно распределяется по всему стакану.
Если одинаковых частиц в одном месте жидкости много, а в другом — мало (это и называется градиентом концентрации), они стремятся туда попасть. Стремятся не в смысле мечтая взять отпуск и смотаться туда, а чисто физически: бегут, сломя голову туда, где посвободнее, и бьются в стену, если она стоит на пути. Вот отличная иллюстрация:
Прежде чем перейти к электричеству в клетках нашего тела скажем ещё пару слов о самих клетках
Клетки тела
Внутри клетки есть ядро, митохондрии и куча других неинтересных для нас сейчас вещей. Нам интересно то, что отделяет клетку от окружающей среды: её мембрана.
На картинке небольшой вырезанный участок мембраны. Представьте, что она продолжается во все стороны и дальше и, замыкаясь, ограничивает клетку.
Шарики с двумя хвостиками (Cell membrane) — это липиды. Они и составляют основу мембраны, образуя двойной слой
Но самое интересное для нашей темы — это фиолетовые штуки, пронизывающие мембрану. Химически это белки. Они выполняют самые разные функции. Например, есть белки-каналы, пропускающие определённое вещество. Помните про диффузию? Так вот, каналы — это дверь, через которую вещества могут переходить из области с высокой концентрацией в область с низкой. Каналы могут открываться и закрываться
Есть также белки-насосы. Они способны тратить энергию клетки, а взамен перемещать в вещество даже в область с высокой концентрацией! Представьте клеточный насос как огромного охранника на входе в клуб. Если кто-то попался ему под руку, он хватает его и выкидывает на выход, даже не смотря на то, что там уже куча людей
Нас интересуют натрий-калиевые насосы. Это даже не один охранник, а двое, работающих в паре! Один берёт за шкирку 3 иона натрия внутри клетки, а другой — 2 иона калия снаружи. Как только оба напарника собрали полный комплект, они разворачиваются и выкидывают захваченные ионы на другую сторону клетки. Так натрий оказывается снаружи, а калий — внутри. Na/K-насос работает постоянно. До 40 процентов энергии в наших клетках тратится только на его работу!
К чему это приводит
Вы могли заметить, что обмен неравнозначный: 3 иона натрия против 2 калия. Они имеют одинаковый положительный заряд. А это значит, что из-за такого обмена (насосов много и они работают постоянно) получается разность потенциалов между внутренней и наружной средой клетки! А где есть разность потенциалов, там есть и электричество!
Как возбуждаются клетки
Работа Na/K-насоса в итоге приводит к установлению равновесия. Разность потенциалов нормальной живой клетки стабильна — это называется потенциал покоя. Но ведь нас интересует совсем не такое стабильное электричество! Мы хотим разряд со звуком скдыщь!
Такой разряд нужен для того, чтобы сокращать мышцы или нейронам обмениваться информацией. И он происходит! Может быть разве что без соответствующего звука. Для этого включаются насосы, о которых мы говорили ранее
Если клетка получает сигнал (не будем сейчас разбирать его природу: статья и так затягивается), что нужно возбудиться, происходит следующее. Натриевые насосы в мембране открываются. Натрий, так долго сдерживаемый суровыми охранниками, видя открытые двери толпами ломится внутрь, неся с собой положительный заряд. Разность потенциалов меняется! Теперь она называется потенциалом действия. Его график выглядит так:
Нижняя пунктирная линия — это потенциал покоя, когда в клетке существует равновесие. Плавный подъём вверх (a-b) происходит, когда клетка начинает подозревать, что скоро что-то будет. Немного натриевых каналов открываются и разность потенциалов потихоньку ползёт вверх. Достигая некоторого критического потенциала в клетке открываются вообще все натриевые каналы и ошалевший натрий мгновенно врывается внутрь (линия b-c). Далее все каналы захлопываются, натрий начинает выбрасываться из клетки насосами и потенциал вновь приходит в норму. До следующего такого действия, которое, например, в клетках сердца происходит каждую секунду. Всем знакомое ЭКГ — это отражение потенциалов действия сердца.
Как передаётся возбуждение
И самый крутой момент! Натриевые насосы — потенциал-чувствительные. Это значит, что они открываются, когда потенциал мембраны изменяется
Вот почему это круто. Стоит возбуждению произойти на небольшом участке клетки, это приводит к открытию там натриевых каналов. Это изменяет потенциал мембраны и приводит к открытию каналов поблизости. И так далее по цепной реакции! Именно по этому на графике такой резкий скачок вверх: если в одном месте возникает возбуждение, то оно быстро охватывает всю клетку. Это называется законом всё или ничего.
#биоэлектричество #электричество #биопотенциал #натрий #калий # #
