Электропроводность биологических систем (Урок физики в 10 классе)

Тема: Электропроводность биологических систем.

Грищенко В., Забайкальский край, Карымский район,

п. Карымское, МАОУ СОШ №2, 11-а класс.

«Аннотация».

Электропроводность биологических систем, свойство живого тела пропускать электрический ток под воздействием электрического поля. Электропроводность служит одним из показателей жизнеспособности консервированной кожи, кости, роговицы и других органов. В этой связи изменение электропроводности используют для получения информации о функциональном состоянии биологических тканей.

Цель работы: изучить один из способов определения качества биологических тканей на основе изменения электропроводности клетки.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

• Изучить литературу по данной теме.
• Рассмотреть основные понятия темы: биоэлектричество, биологическая система, электропроводность, импеданс и другие.
• Собрать экспериментальную установку и с её помощью доказать наличие емкостного сопротивления у живых организмов.
• Провести констатирующий эксперимент, с целью выяснения физических свойств и особенностей биологических систем.
• Вычислить максимальное значение силы тока через тело человека с помощью отвертки с газоразрядным индикатором.
• Проанализировать полученный результат эксперимента.

Гипотеза: наличие емкостных свойств у тканей живых организмов позволит определить качество биологических материалов, необходимых в медицине.

Электропроводность тканей и органов зависит от их функционального состояния. Я провел ряд экспериментов, благодаря которым доказал наличие активного и емкостного сопротивления у биологических клеток живых организмов. А так же отсутствие емкостных свойств у сильно поврежденной или уже омертвевшей ткани. Определил основные закономерности, возникающие при прохождении переменного тока через ткани организма. Таким образом, наглядно показал связь физики с биологией и медициной.

Тема: Электропроводность биологических систем.

Грищенко В., Забайкальский край, Карымский район,

п. Карымское, МАОУ СОШ №2, 11-а класс.

«План исследований».

Возможность заменять больной, пораженный, изношенный орган, часть его или ткань волновала умы человечества на протяжении многих столетий. Был пройден долгий и тернистый путь, прежде чем проблема достигла современного уровня. Хирургическая техника и степень подавления тканевой несовместимости являются не единственными факторами, определяющими успешный исход операции. Немаловажное значение имеет жизнеспособность пересаживаемого органа. Это обстоятельство дало толчок развитию нового направления — консервации тканей. Электропроводность служит одним из показателей жизнеспособности консервированной кожи, кости, роговицы и других органов.
В этой связи изменение электропроводности используют для получения информации о функциональном состоянии биологических тканей, для выявления воспалительных процессов, изменения проницаемости клеточных мембран и стенок сосудов при патологии или действии на организм различных факторов, для оценки кровенаполнения сосудов органов и тканей. Знание электропроводности биологических систем необходимо не только для оценки их структуры, но и для адекватного конструирования приборов, во входные или выходные цепи которых включены биологические ткани. Учёт вышеизложенных фактов определил тему моей работы «Электропроводность биологических систем».

Цель работы: изучить один из способов определения качества биологических тканей на основе изменения электропроводности клетки.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

Изучить литературу по данной теме.

Рассмотреть основные понятия темы: биоэлектричество, биологическая система, электропроводность, импеданс и другие.

Собрать экспериментальную установку и с её помощью доказать наличие емкостного сопротивления у живых организмов.

Провести констатирующий эксперимент, с целью выяснения физических свойств и особенностей биологических систем.

Вычислить максимальное значение силы тока через тело человека с помощью отвертки с газоразрядным индикатором.

Проанализировать полученный результат эксперимента.

Гипотеза: наличие емкостных свойств у тканей живых организмов позволит определить качество консервированных материалов, необходимых в медицине.

В процессе работы я использовал следующие методы исследования:

1. Проведение эксперимента.

2. Работа с научной литературой.

3. Проведение сравнительного анализа.

Свою работу я начал с основных понятий темы. Выяснил, что значит биологическая система, биоэлектричество, электрический ток, электропроводность, импеданс. Рассмотрел строение клетки и основы возникновения электрического тока в биологических системах. Электропроводность тканей и органов зависит от их функционального состояния. Поэтому я провел ряд экспериментов, благодаря которым доказал наличие активного и емкостного сопротивления у биологических клеток живых организмов. А так же отсутствие емкостных свойств у сильно поврежденной или уже омертвевшей ткани. Определил основные закономерности, возникающие при прохождении переменного тока через ткани организма. Таким образом, наглядно показал связь физики с биологией и медициной. Ведь измерение электропроводности биологических тканей на низких частотах используют для определения кровенаполнения различных органов, выявления отёка. Измерение электропроводности на высоких частотах в биологии и медицине используют для регистрации малых изменений объёма органов, связанных с притоком или оттоком крови от них. Дисперсию импеданса важно знать для трансплантации тканей и органов.

В процессе работы я использовал статью Л.В. Зеленковой «Зависимость емкостного сопротивления от частоты» из журнала «Физика в школе» №3 1989 года. В этой статье автор предлагает схему установки для проверки емкостных свойств у тканей живых организмов. Основные понятия, законы, характеристики я узнал из «Биологического энциклопедического словаря» М. С. Гилярова и учебного пособия А.Н. Ремизова «Медицинская и биологическая физика».

Тема: Электропроводность биологических систем.

Грищенко В., Забайкальский край, Карымский район,

п. Карымское, МАОУ СОШ №2, 11-а класс.

«Научная статья (описание работы)».

Начало изучения электрических явлений, возникающих в живых тканях, относится ко второй половине 18 века, когда было обнаружено, что некоторые рыбы (электрический скат, электрический угорь) при охоте используют электрические разряды, оглушая и обездвиживая свою добычу. Было высказано предположение, что распространение нервного импульса представляет собой течение вдоль нерва особой «электрической жидкости». В 1791—1792 годах итальянский ученые Л. Гальвано и А. Вольта первые дали научное объяснение явления «животного электричества». Своими, ставшими уже классическими, опытами они достоверно установили факт существования в живом теле электрических явлений. Позже биоэлектричество были обнаружены в растительных тканях. Но что, же такое биоэлектричество?

Электропроводность биологических систем, свойство живого тела пропускать электрический ток под воздействием электрического поля. Обусловливается наличием в теле носителей тока — электрических зарядов, способных к передвижению (ионы и электроны) или к смещению (полярные молекулы). Биологические системы - это объекты различной сложности (клетки, ткани, органы, системы органов, организмы), имеющие, как правило, несколько уровней структурно-функциональной организации.(1) Биологическая ткань состоит из клеток и межклеточного пространства, заполненного электролитом. Она способна оказывать высокое сопротивление электрическому току — до 105—106 Ом/см имеет небольшую электропроводность за счет эффекта поляризации, то есть возникновения в тканях под влиянием тока вторичной электродвижущей силы обратного знака. Живая ткань ведет себя как конденсатор, заряжающийся при прохождении тока. Это происходит в основном благодаря наличию большого количества полупроницаемых мембран, по обе стороны которых находятся свободные ионы. Под действием тока часть ионов накапливается с одной из сторон мембраны, и возникает поляризация. Кроме того, часть зарядов может накапливаться у границ плохо проводящих тканей. Поэтому живые ткани можно отнести к типу полупроводников или диэлектриков. В целом, сопротивление живых тканей складывается из омического (активного) и емкостного (реактивного) сопротивлений и называется комплексным сопротивлением, или импедансом. Явление поляризации наиболее выражено при измерении сопротивления на постоянном токе. В начальный момент оно небольшое, затем, через несколько миллисекунд резко увеличивается. При измерении сопротивления на переменном токе с увеличением частоты пропускаемого тока поляризация уменьшается. При этом часть заряженных частиц, способных к движению или ориентации в зависимости от частоты, успевает поворачиваться или передвигаться, тем самым участвуя в проведении тока и накоплении зарядов; омическое сопротивление практически не меняется. На очень высокой частоте поляризация полностью исчезает. Таким образом, с уменьшением частоты уменьшается и импеданс. Отношение сопротивления на низкой частоте к сопротивлению на высокой частоте может служить мерой поляризации живых тканей. Это отношение (коэффициент поляризации) успешно используется для определения жизнеспособности животных и растительных тканей. При отмирании тканей поляризация исчезает, коэффициент поляризации становится равным примерно 1. С помощью этого коэффициента можно оценивать степень обратимых и необратимых (патологических) нарушений в организме. У растений, находящихся в состоянии покоя или устойчивых к неблагоприятным факторам среды — высоким и низким температурам и обезвоживанию, электропроводность ниже, чем у активно вегетирующих и неустойчивых к стрессам растений. В первом случае замедляется подвижность зарядов, а во втором — мембраны более стабильны.(6) Проверим это утверждение, проведем эксперимент. Я измерил с помощью мультиметра типа М-838 сопротивления живого листа комнатного растения и сухого, а также сопротивления кожи человека. В ходе эксперимента я убедился в том, что живые клетки биологических систем обладают активным сопротивлением. Величина электропроводности тканей организма обусловлена содержанием воды с растворенными различными ионами. Поэтому не удивительно, что у сухого «мертвого» листа отсутствует электропроводность. Активное сопротивление зависит от состояния исследуемого материала, например если увлажнить поверхность листа и кожи то сопротивление уменьшится, таким образом, электропроводность увеличится. Наибольшей электропроводностью обладают «жидкие ткани». Ткани с низким содержанием воды (костная ткань без надкостницы, роговой слой кожи) являются плохими проводниками. Электропроводность тканей и органов зависит от их функционального состояния. Например, при воспалении клетки набухают, уменьшается сечение межклеточных соединений, и электрическое сопротивление увеличивается; физиологические явления, вызывающие потливость, сопровождаются возрастанием электропроводимости кожи и сопротивление уменьшается.

Электропроводность – способность вещества проводить электрический ток, обусловленная наличием в нем подвижных заряженных частиц. Электропроводность (L) является величиной, обратной электрическому сопротивлению (R). При подаче на объект разности потенциалов (U) через него потечет электрический ток силой (I), величина которой пропорциональна электропроводности (L): I = L • U или I = U / R. Величина электропроводности зависит от количества электрических зарядов и их подвижности. Чем больше количество зарядов и их подвижность, тем больше электропроводность. (3)

Воздействие электрического тока на организм зависит от силы тока, поэтому весьма существенное значение имеет электрическое сопротивление тканей, прежде всего кожи. Вычислим максимальное значение силы тока через тело человека при проверке розетки в сети с напряжением 220 В с помощью отвертки с газоразрядным индикатором, если электрическое сопротивление резистора в отвертке равно 3 МОм. Решение: напряжение на газоразрядном индикаторе примерно равно 70В, поэтому на резисторе максимальное значение напряжения равно 220В-70В=150В. Сила тока равна I=150В/ 3000000=0,05мА. Эта сила тока в несколько сотен раз меньше, чем сила тока, опасного для жизни человека. (7)

Несколько веков назад впервые было описано поражение человека током при случайном соприкосновении с токоведущими частями. Смерть наступила мгновенно. Подобные случаи смерти, вызванной электрическим током, начали регистрировать и изучать; при этом по мере расширения применения электричества число их росло. Мнение было единое – смерть наступает мгновенно, без каких-либо, как правило, признаков существенных изменений на теле. Исключение составляли случаи, когда поражение сопровождалось ожогом электрической дуги. Важно одно: при мгновенной смерти от электрического тока, по-видимому, имеет место нарушение электропроводимости центральной нервной системы, управляющей основными, жизненно необходимыми функциями организма. Так как все реакции, происходящие внутри организма, регулируются импульсами электрического тока, то можно предположить, что изменение последовательности подачи импульсов, их амплитуды, частоты появления и влечет за собой изменения, прежде всего на клеточном уровне. Объяснить это можно только нарушением движения заряженных частиц в клетках центральной и периферической нервной систем и их связях, которое может возникнуть в ряде случаев и при очень маленьких напряжениях и токах от внешних источниках напряжения, а это нарушение приводит к полному или частичному прекращению питания клеток кислородом. Поэтому есть все основания предполагать, что даже при очень малых токах может быть нарушена электропроводимость в организме, и, как следствие, могут наступить серьезные нарушения состояния человека. (6)

При прохождении переменного тока через ткани организма выполняются следующие закономерности:

1. сопротивление биологического объекта переменному току ниже, чем постоянному;

2. сопротивление не зависит от частоты тока, если его величина не превышает физиологическую норму;

3. на данной частоте сопротивление биологического объекта постоянно, если не изменяется его физиологическое состояние;

4. сопротивление изменяется при изменении физиологического состояния объекта; при отмирании сопротивление резко уменьшается. (3)

Учитывая все эти закономерности, ученые успешно решают проблему пересадки органов и тканей. Возможность заменять больной, пораженный, изношенный орган, часть его или ткань волновала умы человечества на протяжении многих столетий. Был пройден долгий и тернистый путь, прежде чем проблема достигла современного уровня. Хирургическая техника и степень подавления тканевой несовместимости являются не единственными факторами, определяющими успешный исход операции. Немаловажное значение имеет жизнеспособность пересаживаемого органа к моменту включения его в кровообращение больного. Особенно это относится к органам, пересаживаемым от трупного донора. В этих случаях от момента смерти будущего донора до удаления у него органа и пересадки этого органа проходит значительное время, до нескольких часов, что ставит под угрозу жизнеспособность пересаживаемого органа. Это обстоятельство дало толчок развитию нового направления — консервации органов, то есть применению методов и средств, сохраняющих жизнеспособность органа вне организма в течение многих часов. Усилиями врачей, биохимиков, инженеров и физиологов были созданы аппараты и специальные растворы, благодаря которым удается сохранить жизнеспособность органа до 24 часов. (6) В настоящее время установлено, что биологические клетки и, следовательно, все живые организмы обладают емкостными свойствами и не обладают индуктивными. Полное сопротивление живой ткани определяется только активной R и емкостной X составляющими: Z = R + X. Емкостное сопротивление вычисляется по формуле X=1/wC, где C – электрическая емкость. (4)(5) Соберем установку из последовательно соединенных: звукового генератора, листа живого комнатного растения (он подключается в цепь с помощью зажимов «крокодил») и постоянного сопротивления R (в несколько Ом или кОм), напряжение с которого подается на вход «Y» электронного осциллографа. При изменении частоты w меняется сопротивление Z листа, а, следовательно, и сила тока I в цепи. В результате изменяется снимаемое напряжение U = I R. Частоту переменного тока можно менять с помощью звукового генератора. Опыт хорошо получается в интервале от 2000 до 20000 Гц. При частоте 20000 Гц получаем синусоиду во весь экран, а затем изменяем частоту до 2000 Гц и высота кривых уменьшается.

  Если живая ткань сильно повреждена или уже омертвела, емкостные свойства у неё выражены слабо или отсутствуют совсем. Чтобы в этом убедится, я взял вместо живого листа растения поврежденный. Высота синусоидальных кривых не изменилась при различных частотах или слабо изменялась в зависимости от степени повреждения тканей. (2) Опыт показывает, что сила тока, проходящая через биологическую ткань, опережает по фазе приложенное напряжение. То есть ткани организма не имеют практически заметной индуктивности. Зависимость импеданса живой ткани от частоты переменного тока называется дисперсией импеданса. Рассмотрим график дисперсии.

Кривая 1 относится к здоровой ткани, ее сопротивление значительно уменьшается с частотой. Кривая 2 относится к поврежденной ткани, кривая 3 – к отмершей ткани. Таким образом, видно, что дисперсия электропроводности присуща только живым тканям.

Это связано с тем, что по мере увеличения частоты поляризационные явления сказываются меньше, чем при постоянном токе. Исходя из формулы для импеданса живой ткани, можно сказать, что явление дисперсии электропроводности клеток и тканей есть результат уменьшения емкостного сопротивления с увеличением частоты. При частотах 10-10 Гц имеет место минимальное сопротивление. Очевидно, при этой частоте емкостное сопротивление практически отсутствует и можно считать, что сопротивление ткани при этой частоте определяется только активным сопротивлением клеток. (6)

Измерение электропроводности биологических тканей на низких частотах используют в биологии и меди%