Электропроводность живых систем

Министерство образования и науки Российской Федерации

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

«САРАТОВСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИМЕНИ Н.Г.ЧЕРНЫШЕВСКОГО»

Реферат

Тема: «Электропроводность живых систем»

  Студента 3 курса 311 группы

направления 44.03.01 «Педобразование»

профиль «Биология»

биологического факультета,

заочного отделения

Баталова Ильяса Рустамовича

Проверила:

Доцент кафедры биохимии и биофизики

Миронова Ирина Константиновна

Саратов, 2019 г.

Электропроводность живых систем.

 Под электропроводностью живых субстратов понимают способность биомембран, клеток и тканей проводить электрический ток. В основу этого явления положены физические закономерности прохождения электрического тока через неживые объекты или заведомо убитые ткани. Существует два механизма прохождения тока через вещество: 1. Электронный механизм проведения, свойственный металлам, 2. Электролитический – обусловленный передвижением ионов и характерный для жидких и твердых проводников. Электронная проводимость. Если электронный проводник поместить в электрическое поле, то на свободные электроны будет действовать сила, равная произведению заряда электрона на напряженность поля и направленная в противоположную сторону. Эта сила сообщает электрону противоположно направленное полю ускорение. Таким образом электроны приобретают среднюю скорость, пропорциональную напряженности поля. Установившееся под влиянием поля непрерывное одностороннее движение электронов обеспечивает прохождение электрического тока через проводник. Ионная проводимость. В электролитических проводниках перенос электричества происходит за счет движения ионов, причем анионы движется к положительному полюсу (аноду), катионы к отрицательному полюсу (катоду). Удельная электропроводность вещества с электролитической проводимостью будет зависеть от количества ионов, от заряда и скорости движения ионов, степени диссоциации электролитов. Так как ионы имеют различные заряды, передвигаются в определенной среде и вступают во взаимодействие друг с другом с молекулами растворителя, то скорость передвижения будет зависеть от: диэлектрической постоянной растворителя, вязкости, температуры, давления сил линейного притяжения и отталкивания и образования ионной атмосферы. С ионной проводимостью непосредственно связан частотный эффект Дебая, который состоит в увеличении электропроводности при очень высоких частотах переменного тока. Такое увеличение электропроводности носит название дисперсии электропроводности, которая зависит от частоты переменного тока, а также от валентности, подвижности, и концентрации ионов в растворе. Эти два механизма проведения электрического тока относятся к неживой природе. Для живых систем природа электропроводности окончательно не выяснена. Однако, имеются все основания полагать, что и для них вряд ли могут существовать какие-либо другие механизмы. До последнего времени исследователи, занимающиеся изучением проведения электрического тока в живых объектах, признавали второй механизм проведения. Однако, по последним данным в живых тканях возможно проведение электрического тока с помощью электронов. К таким тканям относят нервную ткань, которая по свойствам напоминает полупроводники. Ели на объект подать разность потенциалов U, то согласно закону Ома, через объект потечёт ток силой I. Так как живой организм, его клетки, ткани являются проводниками второго рода, то перенос электрического тока зависит от величины направленного движения ионов в электрическом поле. Чем больше свободных подвижных ионов, тем выше электропроводность объекта. В животных клетках основные катионы – это ионы калия, а основные анионы – это ионы органических кислот (угольной, лимонной и уксусной). В межклеточной и межтканевой жидкостях животных основными ионами являются натрий и хлор. Ионы биополимеров (белков, нуклеиновых кислот и их комплексов) не оказывают заметного влияния на величину электропроводности. Измерение электропроводности биологических объектов проводят на постоянном и переменном токах прямоугольной или синусоидальной формы с частотами от долей герца до 10 Гц. При пропускании постоянного тока через живой объект наблюдается падение величины тока за счет развития поляризационных явлений на границах раздела в объекте. Различные виды поляризации обусловлены наличием в биологических объектах свободных и связанных зарядов, гетерогенность строения клеток, наличием мембран и поверхностей раздела. Свободные заряды (ионы и электроны) перемещаются под действием электрического поля, создавая ток проводимости. В клетках подвижность ионов ограничена наличием многочисленных мембранных компартментов, на которых создается ЭДС обратного направления по отношению к приложенному. Связанные заряды крупных органических ионов перемещаются в узких пределах, формируя токи смещения. Различают несколько видов поляризации. Электронная поляризация - это смещение электронных орбит атомов относительно положительно заряженных ядер под действием приложенного электрического поля. Возникающий дипольный момент молекул имеет небольшую величину. Время образования и устранения электронной поляризации (время релаксации) лежит в пределах 10-16 -10-14 сек. Ионная поляризация - смещение иона в кристаллической решетке с возникновением обратной ЭДС. Время релаксации 10-14 -10-12. Дипольная (ориентационная) поляризация свойственна полярным молекулам, обладающим значительным дипольным моментом (вода, спирты, белки). Время релаксации составляет 10-10 -10-8. Макроструктурная поляризация – зависит от неоднородности электрических свойств проводящей системы и связана с чередованием слоев высокой и низкой проводимости и накоплением свободных зарядов на границе слоев с низкой проводимостью, что свойственно биологическим объектам с их гетерогенностью и развитой сетью мембран, имеющих сопротивление порядка ом\см. Время релаксации 10-6 – 10-4 с. Поверхностная поляризация свойственна поверхности с двойным электрическим слоем. В электрическом поле происходит смещение ионов диффузной части в одну, а частиц в другую стороны. Время релаксации 10-3 с. Электролитическая поляризация означает изменение концентрации зарядов в приэлектродном слое. Для устранения различных видов поляризации измерение электропроводности проводят на переменном токе различной частоты. На высоких частотах (10 Гц) поляризация практически исключается. Возникновение сильной поляризации тканей при прохождении постоянного тока значительно затрудняет измерение их сопротивления. Поляризационная емкость — это как бы конденсатор, заряжающийся в момент прохождения тока через живую клетку или ткань. Поляризационная емкость является характерным свойством живой неповрежденной клетки. Она достигает больших величин. Существует две теории, объясняющие возникновение поляризационной емкости в живых объектах: мембранная и теория поляризации диэлектриков. Клеточные мембраны проницаемы для ионов одного знака и непроницаемы для противоположных, которые при прохождении электрического тока накапливаются и вызывают поляризацию. Под мембраной подразумевают не морфологическую структуру типа оболочки, а тонкий пограничный слой или неколько монослоев с суммарной толщиной 150 А. Теория поляризации диэлектриков, предложенная Вагнером, объясняет возможность возникновения поляризации неодинаковыми величинами электропроводности дисперсной фазы и дисперсной среды. В этом случае величина поляризации системы зависит от отношения проводимости среды и электропроводности взвешенных в ней частиц и от соотношения их объемов. При очень большой проводимости среды почти весь ток пройдет через нее и не произойдет адсорбции зарядов. Если же среда обладает небольшой проводимостью и взвешенные в ней частицы проводят ток, то он частично пройдет через них, а на межфазовых границах произойдет накопление зарядов. В случае проводника с гетерогенной структурой напряжение при включении тока распределяется таким образом, что большая часть его будет уменьшаться в слоях с малой проводимостью. При одной и той же силе тока в слое с большей проводимостью на границе двух фаз будет больше количества ионов одного знака, чем в слое с меньшей проводимостью. У границы раздела двух слоев диэлектрика произойдет избыточное накопление зарядов, появится вторичная ЭДС обратного знака. Сила тока в этом случае определяется величиной вторичной ЭДС. Т.е. поляризацией. По этой теории биологическая система рассматривается как гетерогенный двухслойный диэлектрик. Чтобы избежать сильной поляризации, живые объекты помещают в поле переменного тока. При достаточно высокой частоте тока поляризационные явления могут быть совсем элиминированы. Как правило, кривая изменения силы синусоидального переменного тока за один полупериод совпадает с кривой напряжения. Это справедливо только в том случае, когда ток на своем пути встречает только омическое сопротивление. В живых объектах кроме омического есть еще емкостное, поэтому происходит сдвиг фаз. При прохождении переменного тока через живые объекты учитывается как омическое, так и емкостное сопротивление, причем первое мало зависит от частоты, а второе значительно уменьшается по мере увеличения частоты, что сказывается на увеличении проводимости всей системы. RT= RО+RС, где RT – общее сопротивление ткани, RО - омическое сопротивление RС – емкостное сопротивление. Уменьшение общего суммарного сопротивления ткани за счет уменьшения емкостного сопротивления по мере увеличения частоты тока носит название дисперсии электропроводности. На частоте 10 Гц и выше импеданс зависит только от величины омического сопротивления цитоплазмы и межклеточной жидкости. При гибели или медленном отмирании тканей происходит возрастание электропроводности на низких частотах, что объясняют повышением проницаемости биомембран для ионов. С помощью импеданса можно вычислить ионную проводимость и объем межклеточников и цитоплазмы. Проницаемость мембран для ионов и величины емкости биомембран. Физические и химические факторы обычно увеличивают проницаемость биомембран для ионов, что приводит к уменьшению импеданса и емкостного сопротивления. Изменение электропроводности наблюдается при любых патологических процессах, происходящих в организме. Так при воспалительном процессе на первой стадии наблюдается увеличение сопротивления ткани, особенно при низких частотах. Это объясняется тем, что клетки начинают набухать, межклетники сильно уменьшаются в размерах, приводя к уменьшению тока. Обратное явление наблюдается при действии на ткани гистамина, который вызывает уменьшение объема клеток. В обеих случаях изменяется только омическое сопротивление ткани. Изменение структурных элементов крови ведет к изменению коэффициента поляризации, уменьшению крутизны дисперсии, сдвига фаз и других параметров, обусловленных емкостным сопротивлением. Такие явления наблюдаются при действии на ткани ионизирующей радиации. Обратное явление увеличение крутизны дисперсии наблюдается при процессах новообразования.