Лекцiя 8. Електричні і магнітні властивості біооб’єктів

Електричні властивості біооб’єктів. Електропровідність

електролітів. Струми провідності

Усі біологічні об’єкти проявляють при дії на них постійного чи змінного електричних полів електропровідні та діелектричні властивості. Цитоплазма клітин, кров, лімфа та інші біологічні рідини є порівняно хорошими провідниками електричного струму. Мембрани клітин, епідерміс шкіри, кістки, різноманітні біополімери, навпаки, дуже погано проводять або майже не проводять електричний струм, тобто поводять себе як діелектрики (ізолятори).

Електропровідністю називається здатність речовини біооб’єкта проводити електричний струм під дією зовнішнього постійного чи змінного електричних полів. Вона кількісно оцінюється величиною g і визначається за формулою:

g = .

Електричний опір R речовини біооб’єкта, як провідника електричного струму, залежить від питомого електричного опору r, довжини l і поперечного перерізу S:

.

Величина g, яка обернена питомому електричному опору речовини, називається питомою електропровідністю:

.

Електропровідні властивості біологічних рідин забезпечуються, головним чином, різноманітними неорганічними електролітами, молекули яких здатні дисоціювати на іони з протилежними знаками зарядів, наприклад, Na⁺ i Cl^-, Н⁺ і ОН^- та ін. Крім того, іонний склад біологічних електролітів доповнюється органічними іонами.

Згідно з ідеальною електролітичною моделлю, питома електропровідність однорідного електроліту визначається формулою:

g = n × q × a (u₊ + u_-),

де n – концентрація молекул електроліту,

q – заряд іонів,

a – коефіцієнт дисоціації,

u₊, u_- - рухливість відповідних іонів.

Загальна питома електропровідність g_заг біооб’єкта є величиною, що складається з питомих електропровідностей окремо взятих однорідних електролітів біологічної рідини:

g_заг = g_NaCl + g_KCl + …

З підвищенням температури електропровідність електроліта зростає, так як збільшується рухливість іонів.

Вільні іони біологічних електролітів під дією зовнішнього електричного поля переміщуються направлено, утворюючи струм провідності. Густина струму провідності визначається таким чином:

j = g × E = n × q × a (u₊ + u_-) × E,

де Е – напруженість зовнішнього електричного поля.

Діелектричні властивості біооб’єктів. Поляризація

Діелектрики – це тіла, які не проводять електричний струм. Діелектрики відрізняються молекулярною будовою: з полярними молекулами, з неполярними молекулами, кристалічні.

У молекул полярних діелектриків (наприклад, H₂O, SO₂, CO) несиметрічна будова і, як наслідок, вони мають дипольний момент при відсут­ності зовнішнього електричного поля. Внаслідок теплового руху дипольні моменти полярних молекул орієнтовані у просторі хаотично і їх результуючий момент дорівнює 0.

У молекул неполярних діелектриків (наприклад, N₂, H₂, O₂, CO₂) симетрічна будова і за відсутністю зовнішнього електричного поля дипольний момент S = 0.

Іонні діелектрики (наприклад, KCl, NaCl) являють собою просторові гратки з чередуванням іонів різних знаків.

У всіх видів діелектриків під дією зовнішнього електричного поля відбувається явище поляризації. Поляризація діелектриків – це процес орієнтації диполів або поява під дією зовнішнього електричного поля орієнтованих по полю диполів.

Розглянемо деякі види поляризації, що мають місце в біологічних системах:

- електронна поляризація відбувається в діелектриках з неполярними молекулами і являє собою процес зміщення електронів на своїх орбітах відносно ядер під дією зовнішнього електричного поля. При цьому електронейтральна система атомів перетворюється в індукований диполь (рис. 1);

Рис. 1

- дипольна поляризація відбувається в діелектриках з полярними молекулами і являє собою орієнтацію молекул в зовнішньому електричному полі і утворення власного протидіючого електричного поля (рис. 2);

Рис. 2

- іонна поляризація – зміщення іонів відносно кристалічної гратки під дією зовнішнього електричного поля, внаслідок чого іон перетворюється на індукований диполь (рис. 3);

Рис. 3

- макроструктурна поляризація – це процес відносного зміщення в протилежних напрямках вільних різноіменних зарядів як в клітинних структурах (ядрах, мітохондріях та ін.), так і в самій клітині під дією зовнішнього електричного поля. Внаслідок цього вільні іони поляризують протилежні поверхні обмежуючих діелектричних оболонок і тим самим утворюють власне електричне поле, яке протилежне зовнішньому (рис. 4);

Рис. 4

- структурна поляризація (рис. 5) – це взаємне зміщення полярних ланцюгів складної молекули (наприклад, білка) під дією зовнішнього електричного поля. В результаті змінюється вторинна структура макромолекули, а, отже, електричні і хімічні властивості;

Рис. 5

- електролітична поляризація – це процес перерозподілу протилежних іонів електроліту біля електродів під дією електричного поля. Внаслідок цього в приелектродних шарах збільшується концентрація іонів певного знаку, які створюють в електроліті власне електричне поле протилежного напрямку.

Поляризаційні процеси відбуваються в біооб’єкті за деякий час, а не миттєво. Тому кожний вид поляризації описується не тільки відповідним механізмом, але і часом релаксації t_р – часом, необхідним для встановлення динамічної рівноваги стану молекулярної системи, що збуджена електричним полем.

Для кількісної оцінки ступеня поляризації діелектрика використовують величину, яка називається поляризованістю:

,

де – дипольний момент окремої молекули,

V – об’єм диелектрика.

У випадку ізотропного діелектрика існує співвідношення

= æe₀ = e₀(e–1) ,

де e – відносна діелектрична проникність,

e₀ – електрична стала,

æ – діелектрична сприйнятливість середовища,

Е – напруженість зовнішнього електричного поля.

Фізичні основи електропровідності тканин

при постійному електричному струмі. Гальванізація.

Електрофорез. Дія атмосферного електричного поля

Землі на біооб’єкти. Аероіони

При проходженні постійного електричного струму через біооб’єкти виникають явища, характерні як для електролітів (струми провідності), так і для діелектриків (поляризація). Поляризаційні процеси призводять до утворення електрорушійної сили поляризації Е_п, електричне поле якої протилежне за напрямком до зовнішнього електричного поля. При цьому напруга U, що подається на електроди від джерела струму, не змінюється (U = const), а електрорушійна сила поляризації Е_п з часом зростає від 0 до Е_{п. max}. Останнє зумовлює зменшення значення сили струму від I_max до I_min в замкненому електричному колі. В результаті вищенаведеного закон Ома для біотканини буде мати вигляд:

,

де R – опір біотканини.

Графічно це можна зобразити таким чином (рис. 6):

Рис. 6

Таким чином, фізичні основи дії на біологічні тканини постійного струму базуються на розглянутих вище електричних властивостях органів і тканин:

- струми провідності в біологічних рідинах як електролітах;

- виникнення явища поляризації за рахунок діелектричних властивостей;

- явища збудження біооб’єктів за рахунок перерозподілу іонів;

- конформаційні зміни біомолекул.

Гальванізація – лікувальна методика, за допомогою якої на біооб’єкт діють постійним струмом малої сили (декілька mА). Загальна блок-схема апарату дял гальванізації (рис. 7):

Рис. 7

Електрофорез – локальне введення лікарських препаратів під дією постійного електричного струму. При проведенні електрофорезу під один з електродів підкладають прокладку з розчином відповідного лікарського препарату. Препарат у розчині розпадається на іони, які рухаються у відповідних напрямках. Ліки вводять з того електроду, заряд якого вони мають: аніони вводять з катоду, катіони – з аноду. Наприклад, з катоду вводять хлор, бром, йод, пеніцілін, з аноду – кальцій, новокаїн, хінін.

Атмосферне електричне поле Землі утворюється таким чином (рис. 8):

Рис. 8

Напруженість атмосферного електричного поля Е_атм» 100 В/м. При змінах погоди Е_атм може змінюватись в декілька разів. Це є однією з причин різного самопочуття в різну погоду. Механізм дії атмосферного поля на біооб’єкти аналогіний вищерозглянутому: рух іонів, поляризація, збудження, конформаційні зміни біомолекул.

В земних умовах повітря завжди містить деяку кількість іонів завдяки дії природніх іонізаторів, головним чином радіоактивним речовинам в земній корі і в газах, а також космічному випромінюванню.

Іони і електрони, які знаходяться у повітрі, можуть приєднуватись до нейтральних молекул і зважених частинок і утворювати більш складні іони. Вони носять назву аероіонів. Аероіони поділяються на легкі (газові) і важкі (зважені заряджені частинки – пил, частинки диму і вологи) іони.

Позитивну дію на організм людини чинять легкі негативні аероіони. Використання таких іонів для лікування називається аероіонотерапією. Розділяють природню аероіонотерапію, яка пов’язана з перебуванням пацієнта в природніх умовах з підвищеною іонізацією повітря (гори, водоспади і т.ін.) і штучну, яка проводиться за допомогою спеціальних пристроїв – аероіонізаторів. Прикладм штучної аероіонотерапії є франклінізація (електростатичний душ). Аероіонізатором при цій методиці є постійне електричне поле високої напруги (до 50 кВ). При загальній франклінізації пацієнт сидить на ізольованому дерев’яному стільці, під яким знаходиться металева пластинка, з’єднана з позитивним полюсом апарату. Над головою пацієнта (на відстані 10-15 см) встановлюють другий електрод у вигляді “павука”. Одним з сучасних побутових приладів для аероіонотерапії є люстра Чижевського.

Магнітні властивості речовини. Магнітні властивості тканин

організму. Фізичні основи магнітобіології

Під дією зовнішнього магнітного поля будь-яка речовина змінює свій стан і, в свою чергу, стає джерелом магнітного поля. З цієї точки зору всі речовини є магнетиками.

Згідно Ампера, в будь-якому тілі існують мікроскопічні струми, які зумовлені рухом електронів в атомах і молекулах. Внаслідок орбітального і спінового (навколо власної вісі) рухів електронів атоми набувають магнітного момента . Магнітний момент молекули є векторною сумою магнітних моментів атомів, з яких вона складається:

.

Відмітимо, що ядра деяких атомів також мають магнітний момент за рахунок спінового руху протонів.

Зовнішнє магнітне поле впливає на орієнтацію частинок речовини, які мають магнітні моменти. Кількісною оцінкою такого впливу є намагніченість речовини:

,

де – магнітний момент магнетика, який дорівнює векторній сумі магнітних моментів окремих молекул,

V – об’єм магнетика.

В слабких магнітних полях існує співвідношення

,

де c – магнітна сприйнятливість речовини,

Н – напруженість зовнішнього магнітного поля.

Безрозмірна величина m = 1 + c називається магнітною проникністю речовини.

Магнетики розділяють на три основні види: парамагнетики, діамагнетики і феромагнетики.

Молекули парамагнетиків (наприклад, Pt, Al) володіють магнітним моментом. Внаслідок теплового руху молекул їх магнітні моменти орієнтовані хаотично, тому без зовнішнього впливу парамагнітна речовина магнітних властивостей не має. При дії на парамагнетик зовнішнього магнітного поля встановлюється переважна орієнтація магнітних моментів атомів вздовж поля. Таким чином, парамагнетик намагнічюється і створює власне магнітне поле, яке співпадає по напрямку з зовнішнім полем і підсилює його.

Молекули діамагнетиків (наприклад, Ag, Au, Cu) не мають магнітного моменту. Під дією зовнішнього магнітного поля у атомів з’являється складова магнітного поля, яка направлена протилежно до зовнішнього поля. Наведені складові магнітних полей атомів додаються і створюють власне магнітне поле речовини, яке ослаблює зовнішнє магнітне поле.

Феромагнетики – це сильномагнітні речовини, які можуть намагнічуватись за відсутності зовнішнього магнітного поля. Згідно сучасних уявлень, феромагнетик складається з великого числа мікроскопічних областей – доменів, які здатні самовільно намагнічуватись.

Тканини організму в значній мірі діамагнітні (наприклад, вода). Однак в організмі є і парамагнітні речовини (молекули і іони). Біотоки, які існують в організмі є джерелом слабких магнітних полів. В деяких випадках індукцію таких полів вдається виміряти. Так, наприклад, на основі реєстрації часової залежності індукції магнітного поля серця створений діагностичний метод – магнітокардіографія. Так як магнітна індукція пропорційна величині струму, то в принципі магнітокардіограма аналогічна електрокардіограмі, але на відміну від останньої реєструється на відстані і безконтактно.

Магнітне поле впливає на біологічні системи, які в ньому знаходяться. Ці впливи вичає розділ біофізики, який називається магнітобіологією. Є відомості про морфологічні зміни у тварин і рослин після перебування в постійному магнітному полі, про орієнтацію рослин в магнітному полі, вплив магнітного поля на нервову систему, характеристики крові і т.д. Проте фізична природа впливів магнітного поля ще не встановлена.

Поиск по сайту: