Исследовательская работа "электричество в живых организмах". Электричество в живой природе История открытия электрического явления

Продолжаем публикацию научно-популярных лекций, прочитанных молодыми вузовскими преподавателями, получившими гранты Благотворительного фонда В. Потанина. На этот раз предлагаем вниманию читателей изложение лекции, которую прочла доцент кафедры физиологии человека и животных Саратовского государственного университета им. Н. Г. Чернышевского кандидат биологических наук Оксана Семячкина-Глушковская.

Живые электростанции

Электричество играет порой невидимую, но жизненно важную роль в существовании многих организмов, включая человека.

Удивительно, но электричество вошло в нашу жизнь благодаря животным, в частности электрическим рыбам. Например, в основе электрофизиологического направления в медицине лежит использование в лечебных процедурах электрических скатов. Живые источники электричества в свою врачебную практику впервые ввёл известный древнеримский врач Клавдий Гален. Сын богатого архитектора, Гален получил вместе с хорошим образованием внушительное наследство, что позволило ему путешествовать в течение нескольких лет по берегам Средиземного моря. Однажды в одной из маленьких деревушек Гален увидел странное зрелище: двое местных жителей шли ему навстречу с привязанными к голове скатами. Это «обезболивающее средство» нашло применение при лечении ран гладиаторов в Риме, куда Гален вернулся после завершения путешествия. Своеобразные физиопроцедуры оказались настолько действенными, что даже император Марк Антоний, страдавший болями в спине, рискнул воспользоваться непривычным способом лечения. Избавившись от изнурительного недуга, император назначил Галена личным врачом.

Однако многие электрические рыбы используют электричество далеко не в мирных целях, в частности для того, чтобы убивать свою добычу.

Впервые европейцы столкнулись с чудовищными живыми электростанциями в джунглях Южной Америки. Отряд искателей приключений, проникших в верховья Амазонки, наткнулся на множество мелких ручейков. Но как только один из участников экспедиции ступил ногой в тёплую воду ручейка, он упал без сознания и пробыл в таком состоянии два дня. Всё дело было в электрических угрях, обитающих в этих широтах. Амазонские электрические угри, достигающие трёх метров в длину, способны генерировать электричество напряжением более 550 В. Электрический удар в пресной воде оглушает добычу, которая обычно состоит из рыб и лягушек, но способен также убить человека и даже лошадь, если они в момент разряда находятся вблизи угря.

Неизвестно, когда бы всерьёз человечество взялось за электричество, если бы не удивительный случай, произошедший с женой известного болонского профессора Луиджи Гальвани. Не секрет, что итальянцы славятся широтой вкусовых пристрастий. Поэтому они не прочь иногда побаловаться лягушачьими лапками. День был ненастный, дул сильный ветер. Когда сеньора Гальвани зашла в мясную лавку, то её глазам открылась ужасная картина. Лапки мёртвых лягушек, словно живые, дёргались, когда касались железных перил при сильном порыве ветра. Сеньора так надоедала мужу своими рассказами о близости мясника с нечистой силой, что профессор решил сам выяснить, что же происходит на самом деле.

Это был тот самый счастливый случай, который разом перевернул жизнь итальянского анатома и физиолога. Принеся домой лягушачьи лапки, Гальвани убедился в правдивости слов жены: они действительно дёргались, когда касались железных предметов. В то время профессору было всего 34 года. Последующие 25 лет он потратил на то, чтобы найти разумное объяснение этому удивительному явлению. Результатом многолетних трудов явилась книга «Трактаты о силе электричества при мышечном движении», которая стала настоящим бестселлером и взволновала умы многих исследователей. Впервые заговорили о том, что электричество есть в каждом из нас и что именно нервы являются своеобразными «электропроводами». Гальвани казалось, что мышцы накапливают в себе электричество, а при сокращении испускают его. Эта гипотеза требовала дальнейших исследований. Но политические события, связанные с приходом к власти Наполеона Бонапарта, помешали профессору закончить эксперименты. В силу своего вольнодумства Гальвани был в бесчестии изгнан из университета и через год после этих трагических событий скончался в возрасте шестидесяти одного года.

И всё-таки судьбе было угодно, чтобы труды Гальвани нашли своё продолжение. Соотечественник Гальвани Алессандро Вольта, прочитав его книгу, пришёл к мысли о том, что в основе живого электричества лежат химические процессы, и создал прообраз привычных для нас батареек.

Биохимия электричества

Прошло ещё два века, прежде чем человечеству удалось раскрыть тайну живого электричества. Пока не был изобретён электронный микроскоп, учёные не могли себе даже представить, что вокруг клетки находится настоящая «таможня» со своими строгими правилами «паспортного контроля». Мембрана животной клетки - тонкая, не видимая невооружённым глазом оболочка, - обладая полупроницаемыми свойствами, является надёжным гарантом сохранения жизнеспособности клетки (поддержания её гомеостаза).

Но вернёмся к электричеству. Какая существует взаимосвязь между мембраной клетки и живым электричеством?

Итак, первая половина XX века, 1936 год. В Англии зоолог Джон Юнг публикует методику препарирования нервного волокна головоногого моллюска. Диаметр волокна достигал 1 мм. Такой видимый глазу «гигантский» нерв сохранял способность проводить электричество даже вне организма в морской воде. Вот тот самый «золотой ключик», с помощью которого будет открыта дверь в тайны живого электричества. Прошло всего три года, и соотечественники Юнга - профессор Эндрю Хаксли и его ученик Алан Ходжкин, вооружившись электродами, поставили серию экспериментов на этом нерве, результаты которых перевернули мировоззрение и «зажгли зелёный свет» на пути к электрофизиологии.

Отправной точкой в этих исследованиях явилась книга Гальвани, а именно описание им тока повреждения: если мышцу разрезать, то электрический ток «выливается» из неё, что стимулирует её сокращение. Для того чтобы повторить эти эксперименты на нерве, Хаксли проткнул двумя тонкими, как волоски, электродами мембрану нервной клетки, поместив их таким образом в её содержимое (цитоплазму). Но вот неудача! Ему не удалось зарегистрировать электрические сигналы. Тогда он вынул электроды и поместил их на поверхность нерва. Результаты были печальными: ровным счётом ничего. Казалось, фортуна отвернулась от учёных. Оставался последний вариант - один электрод поместить внутрь нерва, а другой оставить на его поверхности. И вот он, счастливый случай! Уже через 0,0003 секунды был зарегистрирован электрический импульс с живой клетки. Было очевидно, что за такое мгновение импульс не может возникнуть вновь. Это означало только одно: заряд сконцентрирован на покоящейся неповреждённой клетке.

В последующие годы подобные опыты были проделаны на бесчисленном множестве других клеток. Оказалось, что все клетки заряжены и что заряд мембраны является неотъемлемым атрибутом её жизни. Пока клетка жива, у неё есть заряд. Однако оставалось всё ещё неясным, каким же образом клетка заряжается? Задолго до экспериментов Хаксли руcский физиолог Н. А. Бернштейн (1896–1966) опубликовал свою книгу «Электробиология» (1912). В ней он, словно провидец, теоретически раскрыл главную тайну живого электричества - биохимические механизмы возникновения заряда клетки. Удивительно, но через несколько лет данная гипотеза была блестяще подтверждена в экспериментах Хаксли, за что он и был удостоен Нобелевской премии. Итак, каковы же эти механизмы?

Как известно, всё гениальное просто. Так оказалось и в этом случае. Наш организм состоит на 70% из воды, а точнее, из раствора солей и белков. Если заглянуть внутрь клетки, то окажется, что её содержимое перенасыщено ионами К + (внутри их примерно в 50 раз больше, чем за её пределами). Между клетками, в межклеточном пространстве, преобладают ионы Na + (здесь их примерно в 20 раз больше, чем в клетке). Такое неравновесие активно поддерживается мембраной, которая, подобно регулировщику, пропускает через свои «ворота» одни ионы и не пропускает другие.

Мембрана, словно бисквитный пирог, состоит из двух рыхлых слоёв сложных жиров (фосфолипидов), толщу которых пронизывают, как бусины, белки, выполняющие самые разнообразные функции, в частности они могут служить своеобразными «воротами» или каналами. Внутри таких белков есть отверстия, которые могут открываться и закрываться с помощью особых механизмов. Для каждого типа ионов существуют свои каналы. Например, движение ионов К + возможно только через К + -каналы, а Nа + - через Na + -каналы.

Когда клетка находится в состоянии покоя, для ионов К + горит зелёный свет и они беспрепятственно покидают пределы клетки через свои каналы, направляясь туда, где их мало, чтобы уравновесить свою концентрацию. Помните школьный опыт по физике? Если взять стакан с водой и капнуть в него разведённый перманганат калия (марганцовку), то через некоторое время молекулы красящего вещества равномерно заполнят весь объём стакана, окрасив воду в розовый цвет. Классический пример диффузии. Аналогичным образом это происходит с ионами К + , которые есть в избытке в клетке и имеют всегда свободный выход через мембрану. Ионы же Nа + , как персона non grata , не имеют привилегий со стороны мембраны покоящейся клетки. В этот момент для них мембрана как неприступная крепость, проникнуть через которую почти невозможно, поскольку все Nа + -каналы закрыты.

Но при чём же здесь электричество, скажете вы? Всё дело в том, что, как было отмечено выше, наш организм состоит из растворённых солей и белков. В данном случае речь идёт о солях. Что такое растворённая соль? Это дуэт связанных между собой положительных катионов и отрицательных анионов кислот. Например, раствор хлорида калия - это K + и Сl – и т. д. Кстати, физиологический раствор, который широко используется в медицине для внутривенных вливаний, представляет собой раствор хлорида натрия - NaCl (поваренной соли) в концентрации 0,9%.

В естественных условиях просто ионов К + или Nа + поодиночке не бывает, они всегда находятся с анионами кислот - SO 4 2– , Cl – , PO 4 3– и т. д., и в обычных условиях мембрана непроницаема для отрицательных частиц. Это означает, что, когда ионы К + движутся через свои каналы, связанные с ними анионы, как магниты, тянутся за ними, но, не имея возможности выйти наружу, скапливаются на внутренней поверхности мембраны. Поскольку за пределами клетки, в межклеточном пространстве, преобладают ионы Nа + , то есть положительно заряженные частицы, плюс к ним постоянно просачиваются ионы К + , на наружной поверхности мембраны концентрируется избыточный положительный заряд, а на её внутренней поверхности - отрицательный. Так что клетка в состоянии покоя «искусственно» сдерживает неравновесие двух важных ионов - К + и Nа + , в силу чего мембрана поляризуется за счёт разности зарядов по обе её стороны. Заряд в состоянии покоя клетки называют мембранным потенциалом покоя, который равен примерно -70 мВ. Именно такой величины заряд был впервые зарегистрирован Хаксли на гигантском нерве моллюска.

Когда стало ясно, откуда берётся «электричество» в клетке в состоянии покоя, тут же возник вопрос: куда же оно девается, если клетка работает, например когда наши мышцы сокращаются? Истина лежала на поверхности. Достаточно было заглянуть внутрь клетки в момент её возбуждения. Когда клетка реагирует на внешние или внутренние воздействия, в этот момент молниеносно, как по команде, открываются все Na + -каналы и ионы Na + , словно снежный ком, за доли секунд устремляются внутрь клетки. Таким образом, за мгновение, в состоянии возбуждения клетки, ионы Na + уравновешивают свою концентрацию по обе стороны мембраны, ионы К + по-прежнему медленно покидают клетку. Выход ионов К + настолько медленный, что, когда ион Na + наконец-то прорывается через неприступные стены мембраны, их там остаётся ещё достаточно много. Теперь уже внутри клетки, а именно на внутренней поверхности мембраны, сконцентрируется избыточный положительный заряд. На её же внешней поверхности будет отрицательный заряд, потому что, как и в случае с К + , за Na + устремится целая армия отрицательных анионов, для которых мембрана по-прежнему непроницаема. Удерживаемые на её внешней поверхности электростатическими силами притяжения, эти «осколки» от солей создадут здесь отрицательное электрическое поле. Это означает, что в момент возбуждения клетки мы будем наблюдать реверсию заряда, то есть смену его знака на противоположный. Этим объясняется, почему заряд при возбуждении клетки меняется с отрицательного на положительный.

Есть и ещё один важный момент, который в далёкие времена описывал Гальвани, но не смог правильно объяснить. Когда Гальвани повреждал мышцу, она сокращалась. Тогда ему казалось, что это ток повреждения и он «выливается» из мышцы. В какой-то степени слова его были пророческими. Клетка действительно теряет свой заряд, когда работает. Заряд существует только тогда, когда есть разность между концентрациями ионов Na + /K + . При возбуждении клетки численность ионов Na + по обе стороны мембраны одинакова, к этому же состоянию стремится и К + . Именно поэтому при возбуждении клетки заряд уменьшается и становится равен +40 мВ.

Когда загадку «возбуждения» разгадали, неизбежно возник другой вопрос: как же клетка приходит в норму? Каким образом заряд на ней возникает вновь? Ведь не умирает же она, после того как поработает. И действительно, через несколько лет нашли этот механизм. Им оказался белок, встроенный в мембрану, но это был необычный белок. С одной стороны, выглядел он так же, как и белки-каналы. А с другой - в отличие от своих собратьев, этот белок «дорого брал за свою работу», а именно энергией, такой ценной для клетки. Причём пригодная для его работы энергия должна быть особая, в виде молекул АТФ (аденозинтрифосфорной кислоты). Эти молекулы специально синтезируются на «энергетических станциях» клетки - митохондриях, бережно там хранятся и при необходимости с помощью специальных переносчиков доставляются к месту назначения. Энергия из этих «боеголовок» высвобождается при их распаде и расходуется на различные нужды клетки. В частности, в нашем случае эта энергия требуется на работу белка, названного Na/K-АТФаза, основная функция которого заключается в том, чтобы, подобно челноку, перевозить Na + наружу из клетки, а К + - в обратном направлении.

Таким образом, чтобы восстановить утраченные силы, необходимо поработать. Задумайтесь, тут скрывается реальный парадокс. Когда клетка работает, то на уровне клеточной мембраны этот процесс протекает пассивно, а для того чтобы отдохнуть, ей требуется энергия.

Как нервы «разговаривают» друг с другом

Если уколоть палец, то рука тут же отдёрнется. То есть при механическом воздействии на рецепторы кожи возбуждение, возникшее в данной локальной точке, достигает головного мозга и возвращается обратно, на периферию, для того чтобы мы могли адекватно отреагировать на ситуацию. Это пример врождённой реакции, или безусловных рефлексов, к которым относятся множество защитных ответов, таких как мигание, кашель, чихание, чесание и т. д.

Каким же образом возбуждение, возникнув на мембране одной клетки, способно двигаться дальше? Прежде чем ответить на этот вопрос, давайте познакомимся со строением нервной клетки - нейроном, смыл «жизни» которого состоит в проведении возбуждения или нервных импульсов.

Итак, нейрон, словно летящая комета, состоит из тела нервной клетки, вокруг которого ореолом располагаются множество маленьких отростков - дендритов, и длинного «хвоста» - аксона. Именно эти отростки служат своеобразными проводами, по которым течёт «живой ток». Поскольку вся эта сложная конструкция представляет собой единую клетку, то отростки нейрона обладают таким же набором ионов, как и его тело. Что представляет собой процесс возбуждения локального участка нейрона? Это некое возмущение «спокойствия» его внешней и внутренней среды, выражающееся в виде направленного движения ионов. Возбуждение, возникнув в том месте, куда пришёлся раздражитель, далее по цепочке распространяется по тем же принципам, что на этом участке. Только теперь раздражителем для соседних участков будет являться не внешний стимул, а внутренние процессы, вызванные потоками ионов Na + и K + и изменением заряда мембраны. Этот процесс подобен тому, как распространяются волны от камешка, брошенного в воду. Так же, как и в случае с камешком, биотоки по мембране нервного волокна распространяются круговыми волнами, вызывая возбуждение всё более отдалённых участков.

В эксперименте возбуждение от локальной точки распространяется далее в обоих направлениях. В реальных же условиях проведение нервных импульсов осуществляется однонаправленно. Связано это с тем, что тот участок, который поработал, нуждается в отдыхе. А отдых у нервной клетки, как мы уже знаем, активный и связан с затратами энергии. Возбуждение клетки есть «потеря» её заряда. Именно поэтому, как только клетка поработает, её способность к возбуждению резко падает. Этот период называют рефрактерным, от французского слова refractaire - невосприимчивый. Такая невосприимчивость может быть абсолютной (сразу же после возбуждения) или относительной (по мере восстановления заряда мембраны), когда возможно вызвать ответную реакцию, но чрезмерно сильными раздражителями.

Если задаться вопросом - какого цвета наш мозг, то окажется, что подавляющая его масса, за небольшим исключением, серо-белых тонов. Тела и короткие отростки нервных клеток серые, а длинные отростки белые. Белые они потому, что сверху на них имеется дополнительная изоляция в виде «жировых» или миелиновых подушек. Откуда возникают эти подушки? Вокруг нейрона существуют особые клетки, названные по имени немецкого нейрофизиолога, который их впервые описал, - шванновские клетки. Они, словно няньки, помогают нейрону расти и, в частности, выделяют миелин, представляющий собой своеобразное «сало» или липид, которым бережно окутываются участки растущего нейрона. Однако такой наряд покрывает не всю поверхность длинного отростка, а отдельные участки, между которыми аксон остаётся голым. Оголённые места называют перехватами Ранвье.

Интересно, но от того, как «одет» нервный отросток, зависит скорость проведения возбуждения. Нетрудно догадаться - специальная «форма одежды» существует для того, чтобы увеличить эффективность прохождения биотоков по нерву. Действительно, если в серых дендритах возбуждение двигается как черепаха (от 0,5 до 3 м/с), последовательно, не пропуская ни одного участка, то в белом аксоне нервные импульсы прыгают по «оголённым» участкам Ранвье, что существенно повышает скорость их проведения до 120 м/с. Такие быстрые нервы иннервируют в основном мышцы, обеспечивая защиту организма. Внутренние же органы не нуждаются в такой скорости. К примеру, мочевой пузырь может долго растягиваться и посылать импульсы о своём переполнении, в то время как рука должна отдёрнуться сразу от огня, иначе это грозит повреждением.

Мозг взрослого человека весит в среднем 1300 г. Эту массу составляет 10 10 нервных клеток. Такое огромное количество нейронов! С помощью каких механизмов возбуждение с одной клетки попадает на другую?

Разгадка тайны коммуникации в нервной системе имеет свою историю. В середине XIX века французский физиолог Клод Бернар получил ценную посылку из Южной Америки с ядом кураре, тем самым, которым индейцы смазывали наконечники стрел. Учёный увлекался изучением действия ядов на организм. Было известно, что животное, сражённое таким ядом, умирает от удушья вследствие паралича дыхательных мышц, но никто не знал, как именно действует молниеносный убийца. Для того чтобы это понять, Бернар проделал простой опыт. Он растворил яд в чашке Петри, поместил туда мышцу с нервом и увидел, что если в яд погрузить только нерв, то мышца остаётся здоровой и по-прежнему может работать. Если отравить ядом только мышцу, то и в этом случае сохраняется её способность к сокращению. И лишь когда в яд помещали участок между нервом и мышцей, можно было наблюдать типичную картину отравления: мышца становилась неспособной сокращаться даже при очень сильных электрических воздействиях. Стало очевидно, что между нервом и мышцей существует «разрыв», на который и действует яд.

Оказалось, подобные «разрывы» можно найти в любой точке организма, вся нейронная сеть буквально ими пронизана. Были найдены и другие вещества, например никотин, который избирательно действовал на загадочные места между нервом и мышцей, вызывая её сокращение. Поначалу эти невидимые связи называли мионевральным соединением, а впоследствии английский нейрофизиолог Чарльз Шеррингтон дал им название синапсов, от латинского слова synapsis - соединение, связь. Однако жирную точку в этой истории поставил австрийский фармаколог Отто Леви, которому удалось найти посредника между нервом и мышцей. Говорят, ему привиделось во сне, что некое вещество «выливается» из нерва и заставляет мышцу работать. На следующее утро он твёрдо решил: нужно искать именно это вещество. И он его нашёл! Всё оказалось достаточно просто. Леви взял два сердца и выделил на одном из них самый крупный нерв - nervus vagus . Заранее предвидя, что из него должно что-то выделиться, он соединил системой трубочек эти два «мышечных мотора» и стал раздражать нерв. Леви знал - при его раздражении сердце останавливается. Однако останавливалось не только то сердце, на которое действовал раздражённый нерв, но и второе, соединённое с ним раствором. Немного позже Леви удалось выделить в чистом виде это вещество, которое получило название «ацетилхолин». Таким образом, было найдено неопровержимое доказательство наличия посредника в «разговоре» между нервом и мышцей. Это открытие удостоено Нобелевской премии.

А дальше всё пошло гораздо быстрее. Оказалось, открытый Леви принцип общения нервов с мышцами универсальный. С помощью такой системы общаются не только нервы и мышцы, но и сами нервы друг с другом. Однако, несмотря на тот факт, что принцип такой коммуникации один, посредники, или, как впоследствии их стали обозначать, медиаторы (от латинского слова mediator - посредник), могут быть разные. У каждого нерва он свой, как пропуск. Эту закономерность установил английский фармаколог Генри Дейл, за что тоже был удостоен Нобелевской премии. Итак, язык нейронного общения стал понятен, оставалось лишь только увидеть, как эта конструкция выглядит.

Как работает синапс

Если посмотреть на нейрон в электронный микроскоп, то мы увидим, что он, словно новогодняя ёлка, весь увешан какими-то пуговками. Таких «пуговок», или, как вы уже догадались, синапсов, только на одном нейроне может быть до 10 000. Посмотрим внимательнее на одну из них. Что мы увидим? На концевом участке нейрона длинный отросток утолщается, поэтому он нам кажется в виде пуговки. В этом утолщении аксон как бы истончается и теряет своё белое одеяние в виде миелина. Внутри же «пуговки» находится огромное количество пузырьков, заполненных каким-то веществом. В 1954 году Джордж Паладе догадался, что это есть не что иное, как хранилище для медиаторов (через 20 лет за эту догадку ему дали Нобелевскую премию). Когда возбуждение доходит до концевой станции длинного отростка, то медиаторы высвобождаются из своего заточения. Для этого используются ионы Са 2+ . Двигаясь к мембране, они сливаются с ней, затем лопаются (экзоцитоз), и медиатор под давлением попадает в пространство между двумя нервными клетками, которое получило название синаптической щели. Оно ничтожно мало, поэтому молекулы медиатора быстро попадают на мембрану соседнего нейрона, на которой в свою очередь находятся особые антенны, или рецепторы (от латинского слова recipio - брать, принимать), улавливающие посредника. Происходит это по принципу «ключ к замку» - геометрическая форма рецептора полностью соответствует форме посредника. Обменявшись «рукопожатием», медиатор и рецептор вынуждены расстаться. Встреча их весьма короткая и последняя для медиатора. Достаточно всего доли секунды, чтобы медиатор запустил возбуждение на соседнем нейроне, после чего он разрушается с помощью специальных механизмов. А потом эта история повторится ещё и ещё, и так до бесконечности будет бежать живое электричество по «нервным проводам», скрывая от нас множество тайн и тем самым привлекая к себе своей загадочностью.

Нужно ли говорить о значимости открытий в области электрофизиологии? Достаточно сказать, что за приоткрытие завесы в мир живого электричества присуждено семь Нобелевских премий. Сегодня львиная доля фармацевтической промышленности построена на этих фундаментальных открытиях. К примеру, сейчас поход к дантисту не такое уж страшное испытание. Один укол лидокаина - и в месте инъекции Na + -каналы временно заблокируются. И вы уже не почувствуете болезненных процедур. У вас заболел живот, врач назначит препараты (но-шпа, папаверин, платифилин и т. д.), в основе действия которых - блокада рецепторов, чтобы с ними не мог связаться медиатор ацетилхолин, запускающий многие процессы в желудочно-кишечном тракте, и т. д. В последнее время активно развивается серия фармакологических препаратов центрального действия, направленных на улучшение памяти, речевой функции и мыслительной деятельности.

«Электричество в живых организмах»

Что такое, кем открыто, что собой представляет электричество

Впервые на электрический заряд обратил внимание Фалес Милетский. Он провел эксперимент, потер янтарь шерстью, после таких простых движений янтарь стал обладать свойством, притягивать мелкие предметы. Это свойство больше походит не на электрические заряды, а на магнетизм. Но в 1600 году Гильберт установил различие между этими двумя явлениями.

В 1747 - 53 Б. Франклин изложил первую последовательную теорию электрических явлений, окончательно установил электрическую природу молнии и изобрёл молниеотвод.

Во 2-й половине 18 в. началось количественное изучение электрических и магнитных явлений. Появились первые измерительные приборы - электроскопы различных конструкций, электрометры. Г. Кавендиш (1773) и Ш. Кулон (1785) экспериментально установили закон взаимодействия неподвижных точечных электрических зарядов (работы Кавендиша были опубликованы лишь в 1879). Этот основной закон электростатики (Кулона закон) впервые позволил создать метод измерения электрических зарядов по силам взаимодействия между ними.

Следующий этап в развитии науки об Э. связан с открытием в конце 18 в. Л. Гальвани "животного электричества"

Главным ученым в изучении электричества и электрических зарядов является Майкл Фарадей. С помощью опытов он доказал, что действия электрических зарядов и токов не зависят от способа их получения. Также в 1831 Фарадей открыл индукцию электромагнитную - возбуждение электрического тока в контуре, находящемся в переменном магнитном поле. В 1833 - 34 Фарадей установил законы электролиза; эти его работы положили начало электрохимии.

И так, что же такое электричество. Электричество - это совокупность явлений, обусловленных существованием, движением и взаимодействием электрически заряженных тел или частиц. Явление электричество можно встретить почти везде.

К примеру, если сильно потереть пластмассовую расческу о волосы, то к ней начнут прилипать кусочки бумаги. А если потереть о рукав воздушный шарик, то он прилипнет к стене. При трении янтаря, пластмассы и ряда других материалов в них возникает электрический заряд. Само слово «электрический» происходит от латинского слова electrum, означающего «янтарь».

Откуда же берется электричество

Все окружающие нас объекты содержат миллионы электрических зарядов, состоящих из частиц, находящихся внутри атомов - основы всей материи. Ядро большинства атомов включает два вида частиц: нейтроны и протоны. Нейтроны не имеют электрического заряда, в то время как протоны несут в себе положительный заряд. Вокруг ядра вращаются еще одни частицы - электроны, имеющие отрицательный заряд. Как правило, каждый атом имеет одинаковое количество протонов и электронов, чьи равные по величине, но противоположные заряды уравновешивают друг друга. В результате мы не ощущаем никакого заряда, а вещество считается незаряженным. Однако, если мы каким-либо образом нарушим это равновесие, то данный объект будет обладать общим положительным или отрицательным зарядом в зависимости от того, каких частиц в нем останется больше - протонов или электронов.

Электрические заряды влияют друг на друга. Положительный и отрицательный заряды притягиваются друг к другу, а два отрицательных или два положительных заряда отталкиваются друг от друга. Если поднести к предмету отрицательно заряженную леску, отрицательные заряды предмета переместятся на другой его конец, а положительные заряды, наоборот, переместятся поближе к леске. Положительные и отрицательные заряды лески и предмета притянут друг друга, и предмет прилипнет к леске. Этот процесс называется электростатической индукцией, и о предмете говорят, что он попадает в электростатическое поле лески.

Что такое, кем открыто, что собой представляют живые организмы

Живые организмы - главный предмет изучения в биологии. Живые организмы не только вписались в существующий мир, но и изолировали себя от него при помощи специальных барьеров. Среда, в которой образовались живые организмы, является пространственно – временным континуумом событий, то есть совокупностью явлений физического мира, которая определяется характеристиками и положением Земли и Солнца.

Для удобства рассмотрения все организмы распределяются по разным группам и категориям, что составляет биологическую систему их классификации. Самое общее их деление на ядерные и безъядерные. По числу составляющих организм клеток их делят на одноклеточные и многоклеточные. Особое место между ними занимают колонии одноклеточных.

На все живые организмы, т.е. на растения и животные действуют абиотические факторы среды (факторы неживой природы), особенно температура, свет и увлажненность. В зависимости от влияния факторов неживой природы, растения и животных делят на различные группы и у них появляются приспособленности к влиянию этих абиотических факторов.

Как уже было сказано, живые организмы распределяются на большое количество. Сегодня мы рассмотрим живые организмы, на разделе их на теплокровных и хладнокровных:

с постоянной температурой тела (теплокровные);

с непостоянной температурой тела (хладнокровные).

Организмы с непостоянной температурой тела (рыбы, земноводные, пресмыкающиеся). Организмы с постоянной температурой тела (птицы, млекопитающие).

Чем связаны физика и живые организмы

Понимание сущности жизни, ее возникновения и эволюции определяет все будущее человечества на Земле как вида живого. Конечно, в настоящее время накоплен огромный материал, осуществляется его тщательное изучение, особенно в области молекулярной биологии и генетики, есть схемы или модели развития, есть даже практическое клонирование человека.

Более того, биология сообщает множество интересных и важных подробностей живых организмах, упуская что-то принципиальное. Само слово «физика», по Аристотелю, означает «физис» - природа. Действительно, вся материя Вселенной, а следовательно мы сами, состоит из атомов и молекул, для которых уже получены количественные и в целом правильные законы их поведения, в том числе и на квантово-молекулярном уровне.

Тем более, что физика была и остается важным фактором общего развития изучения живых организмов в целом. В этом смысле физика как феномен культуры, а не только как область знания, создает наиболее близкое для биологии социокультурное понимание. Вероятно, именно в физическом познании отражены стили мышления. Логико-методологические аспекты познания и самой естественной науки, как известно, почти целиком основаны на опыте физических наук.

Поэтому задача научного познания живого, может быть, и состоит в обосновании возможности применения физических моделей и представлений к определению развития природы и общества также на основе физических закономерностей и научного анализа получаемых знаний о механизме процессов в живом организме. Как говорил еще 25 лет тому назад М.В. Волькенштейн, «в биологии как науке о живом возможны только два пути: либо признать невозможным объяснение жизни на основе физики и химии, либо такое объяснение возможно и его надо найти, в том числе на основе общих закономерностей, характеризующих строение и природу материи, вещества и поля».

Электричество в различных классах живых организмах

В конце XVIII века знаменитые ученые Гальвани и Вольта обнаружили электричество у животных. Первыми животными, на которых ученые делали опыт, чтобы подтвердить свое открытие, были лягушки. На клетку воздействуют различные факторы внешней среды - раздражители: физические - механические, температурные, электрические;

Электрическая активность оказалась неотъемлемым свойством живой материи. Электричество генерирует нервные, мышечные и железистые клетки всех живых существ, однако наиболее развита эта способность у рыб. Рассмотрим явление электричество у теплокровных живых организмах.

В настоящее время известно, что из 20 тыс. современных видов рыб около 300 способны создавать и использовать биоэлектрические поля. По характеру генерируемых разрядов такие рыбы делятся на сильноэлектрические и слабоэлектрические. К первым относятся пресноводные южноамериканские электрические угри, африканские электрические сомы и морские электрические скаты. Эти рыбы генерируют очень мощные разряды: угри, например, напряжением до 600 вольт, сомы - 350. Напряжение тока крупных морских скатов невысоко, поскольку морская вода является хорошим проводником, но сила тока их разрядов, например ската Торпедо, достигает иногда 60 ампер.

Рыбы второго типа, например, мормирус и другие представители отряда клюворылообразных не излучают отдельных разрядов. Они посылают в воду серии почти непрерывных и ритмичных сигналов (импульсов) высокой частоты, этого поля проявляется в виде так называемых силовых линий. Если в электрическое поле попадает объект, отличающийся по своей электропроводности от воды, конфигурация поля изменяется: предметы с большей проводимостью сгущают вокруг себя силовые лилии, а с меньшей - рассредоточивают. Рыбы воспринимают эти изменения с помощью электрических рецепторов, расположенных у большинства рыб в области головы, и определяют местонахождение объекта. Таким образом эти рыбы осуществляют подлинную электрическую локацию.

Почти все они охотятся преимущественно ночью. Некоторые из них обладают плохим зрением, поэтому в процессе длительной эволюции и выработался у этих рыб такой совершенный способ для обнаружения на расстоянии пищи, врагов, различных предметов.

Приемы, используемые электрическими рыбами при ловле добычи и обороне от врагов, подсказывают человеку технические решения при разработке установок для электролова и отпугивания рыб. Исключительные перспективы открывает моделирование электрических систем локации рыб. В современной подводной локационной технике пока не существует систем поиска и обнаружения, которые работали бы по образцу и подобию электролокаторов, созданных в мастерской природы. Учеными многих стран ведется упорная работа по созданию подобной аппаратуры.

ЗЕМНОВОДНЫЕ

Для изучения протекания электричества в земноводных возмем опыт Гальвани. В своих опытах он использовал задние лапки лягушки, соединенные с позвоночником. Подвешивая эти препараты на медном крючке к железным перилам балкона, он обратил внимание, что, когда конечности лягушки раскачивались ветром, их мышцы сокращались при каждом прикосновении к перилам. На основании этого Гальвани пришел к выводу, что подергивания лапок были вызваны «животным электричеством», зарождающимся в спинном мозге лягушки и передаваемым по металлическим проводникам (крючку и перилам балкона) к мышцам конечностей. Против этого положения Гальвани о «животном электричестве» выступил физик Александр Вольта. В 1792 г. Вольта повторил опыты Гальвани и установил, что эти явления нельзя считать «животным электричеством». В опыте Гальвани источником тока служил не спинной мозг лягушки, а цепь, образованная из разнородных металлов – меди и железа. Вольта был прав. Первый опыт Гальвани не доказывал наличия «животного электричества», но эти исследования привлекли внимание ученых к изучению электрических явлений в живых организмах. В ответ на возражение Вольта Гальвани произвел второй опыт, уже без участия металлов. Конец седалищного нерва он набрасывал стеклянным крючком на мышцу конечности лягушки – и при этом также наблюдалось сокращение мышцы. В живом организме осуществляется и ионная проводимость.

Образованию и разделению ионов в живом веществе способствует наличие воды в белковой системе. От него зависит диэлектрическая постоянная белковой системы.

Носителями зарядов в этом случае являются ионы водорода - протоны. Только в живом организме все виды проводимости реализуются одновременно.

Соотношение между разными проводимостями меняется в зависимости от количества воды в белковой системе. Сегодня люди еще не знают всех свойств комплексной электропроводности живого вещества. Но ясно то, что именно от них зависят те принципиально отличные свойства, которые присущи только живому.

На клетку воздействуют различные факторы внешней среды - раздражители: физические - механические, температурные, электрические.

Электричество в живой природе Травников Андрей 9 «Б»

Электричество Электричество - совокупность явлений, обусловленных существованием, взаимодействием и движением электрических зарядов.

Электричество в теле человека В организме человека присутствуют множество химических веществ (например, кислород, калий, магний, кальций или натрий), реакции которых друг с другом способствуют возникновению электрической энергии. В числе прочего, это происходит в процессе так называемого «клеточного дыхания» - извлечения клетками тела энергии, необходимой для жизнедеятельности. Например, в сердце человека есть клетки, которые в процессе поддержания сердечного ритма поглощают натрий и выделяют калий, что создаёт в клетке положительный заряд. Когда заряд достигает определённого значения, клетки обретают способность воздействовать на сокращения сердечной мышцы.

Молнии Молния - гигантский электрический искровой разряд в атмосфере, обычно может происходить во время грозы, проявляющийся яркой вспышкой света и сопровождающим её громом.

Электричество у рыб Все виды электрических рыб имеют особый орган, который вырабатывает электричество. С его помощью животные охотятся, защищаются приспосабливаясь к жизни в водной среде. Электрический орган у всех рыб сконструирован одинаково, но отличается по размерам и местоположению. Но почему ни у одного наземного животного не обнаружено электрического органа? Причина этого заключается в следующем. Только вода с растворенными в ней солями является прекрасным проводником электричества, что позволяет использовать действие электрического тока на расстоянии.

Электрический скат Электрические скаты - отряд хрящевых рыб, у которых по бокам тела между головой и грудными плавниками расположены почкообразные парные электрические органы. В отряде числятся 4 семейства и 69 видов. Электрические скаты известны своей способностью производить электрический заряд, напряжение которого (в зависимости от вида) колеблется от 8 до 220 вольт. Скаты используют его в обороне и могут оглушить добычу или врага. Они обитают в тропических и субтропических водах всех океанов

Электрический угорь Длина от 1 до 3 м, вес до 40 кг. Кожа у электрического угря голая, без чешуи, тело сильно удлинённое, округлое в передней части и несколько сжатое с боков в задней части. Окраска взрослых электрических угрей оливково-коричневая, нижняя сторона головы и горла ярко-оранжевая, край анального плавника светлый, глаза изумрудно-зелёные. Генерирует разряд напряжением до 1300 В и силой тока до 1 A. Положительный заряд находится в передней части тела, отрицательный - в задней. Электрические органы используются угрём для защиты от врагов и для парализации добычи, которую составляют в основном некрупные рыбы.

Венерина мухоловка Венерина мухоловка - небольшое травянистое растение с розеткой из 4-7 листьев, которые растут из короткого подземного стебля. Стебель - луковицеобразный. Листья размером от трёх до семи сантиметров, в зависимости от времени года, длинные листья-ловушки обычно формируются после цветения. В природе питается насекомыми, иногда могут попадаться моллюски (слизни). Движение листьев происходит за счет электрического импульса.

Мимоза стыдливая Прекрасным наглядным доказательством проявления токов действия у растений является механизм складывания листьев под влиянием внешних раздражителей у мимозы стыдливой имеющих ткани, способные резко сокращаться. Если поднести к ее листьям чужеродный предмет, то они закроются. От этого и происходит название растения.

Подготовив эту презентацию, я узнал много нового об организмах в живой природе, и о том, как они применяют электричество в своей жизни.

Источники http://wildwildworld.net.ua/articles/elektricheskii-skat http://flowerrr.ru/venerina-muholovka http:// www.valleyflora.ru/16.html https://ru.wikipedia.org

ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ ГОРОДА МОСКВЫ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

МОСКОВСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ КОЛЛЕДЖ

Электрические процессы в живых организмах

Боголюбова Александра Евгеньевна, студентка 1 курса

Руководитель : Мокрова Ирина Иннокентьевна, преподаватель физики

Образовательная организация: ГБПОУ Московский технологический колледж

2015г

г.Москва

Содержание

Введение.

2.Электрические токи в живых организмах

2.1. Электрические рыбы

2.1.1.Электрический угорь

2.1.2.Электрический сом

2.1.3.Электрический скат

2.3.1.Общая характеристика действия тока на тело человека

2.3.5. Действие зарядов лейденской банки на человека

2.3.6. Изобретение дефибриллятора постоянного тока

2.3.7. Электролечение

2.3.8.Метод Фолля

Заключение

Введение

С давних времен человек пытался понять явления в природе. Много гениальных гипотез, объясняющих происходящее вокруг человека, появилось в разное время и в разных странах. Мысли греческих и римских ученых и философов, живших еще до нашей эры: Архимеда, Евклида, Лукреция, Аристотеля, Демокрита и других - и сейчас помогают развитию научных исследований.

Способность некоторых животных вырабатывать электричество известно давно. Но природа проявления электрических явлений в живых организмах стала объектом наблюдения двести лет назад. И до сих пор некоторые явления, происходящие в живых организмах, недостаточно изучены. В нашей работе мы попытались систематизировать случаи проявления электрических взаимодействий в животной и растительной среде, проследить историю создания лейденской банки и ее дальнейшее использование в медицине.

1. История открытия животного электричества

1.1. Открытие Луиджи Гальвани

Всем известно что электричество вошло в нашу жизнь благодаря животным. С электрическими явлениями древние египтяне были знакомы еще четыре с половиной тысячи лет назад. Об этом свидетельствует надгробный памятник в Соккаре, на котором изображен электрический сом, живущий в верховьях Нила. Но лишь в итальянский профессор анатомии обнаружил, что электрические разряды заставляют подергиваться конечности мертвой лягушки. Это событие произошло отчасти случайно. Рассказывают, что синьоре Гальвани, жене болонского профессора анатомии, приходилось самой ходить в мясную лавку, где продавались и лягушачьи окорочка. История утверждает, что лягушачьи лапки, развешанные гроздьями на медных крючках, прикрепленных к железным перекладинам, поразили воображение синьоры Гальвани. К ее великому удивлению и ужасу, отрезанная лапка лягушки, касаясь железа, вздрагивала, точно живая. Утверждают, будто синьора так надоела мужу, рассказывая о напугавшем ее явлении, объясняя его близостью мясника с нечистой силой, что профессор решил провести наблюдения за лягушками у себя дома

В один из осенних вечеров 1789 г. итальянский естествоиспытатель и врач Луиджи Гальвани (1737-1798) делал опыты над мышцами лягушки. Особенно его интересовало действие на мускулы ног животного электрических разрядов, которые получали тогда от электрофорной машины. Препарированная лягушка (со снятой кожей) подвешивалась на медном крючке. Как только в мышцу конечности пропускали электрический разряд, мышца вздрагивала, сокращалась, лапка подпрыгивала.

Каково же было удивление ученого, когда он заметил, что сокращение мышц происходит и без воздействия электрических разрядов, а просто от соприкосновения с ножом, скальпелем или железной проволокой. Явление казалось загадочным.

После долгих поисков ему удалось доказать, что лапка лягушки сокращается и без всякого соприкосновения с металлом. Из тщательно поставленных опытов был сделан неоспоримый вывод, что в животных тканях образуется и собственное электричество. Классические опыты Гальвани сделали его отцом электрофизиологии. Гальвани, осуществив ряд экспериментов, пришел к выводу о существовании нового источника и нового вида электричества. Его привели к такому выводу опыты составления замкнутой цепи из проводящих тел и металлов (лучше всего по признанию самого учёного было использовать разные металлы, например железный ключ и серебряную монету) и лягушечного препарата.

После долгих научных изысканий Гальвани предположил, что мышца является своеобразной батареей лейденских банок, непрерывно возбуждаемой действием мозга, которое передается по нервам. Именно так и была рождена теория животного электричества, именно эта теория создала базу для возникновения электромедицины, и открытие Гальвани произвело сенсацию.

1.2.История изобретения первого источника постоянного тока

Вскоре этими вопросами заинтересовался другой итальянский ученый Алессандро Вольта (1745-1827).Вольта провёл ряд опытов и показал, что наблюдаемые явления связаны с наличием замкнутой цепи, состоящей из двух разнородных металлов и жидкости. Вольта считал причины «гальванизма» физическими, а физиологические действия – одними из проявлений этого физического процесса. Проведя опыты с разными парами электродов, Вольта установил, что физиологическое раздражение нервов тем сильнее, чем дальше отстоят друг от друга два металла в следующем ряду: цинк, оловянная фольга, олово, свинец, железо, латунь и т.д. до серебра, ртути, графита. Этот знаменитый ряд напряжений (активностей) Вольта и составлял ядро эффекта; мышца лягушки была лишь пассивным, хотя и очень чувствительным электрометром, а активными звеньями являлись металлы, от контакта которых и происходила их взаимная электризация.

Проводя многочисленные сравнительно-физиологические опыты, Вольта наблюдал у животных большую электрическую возбудимость нервов по сравнению с мышцами, а также гладкой мускулатуры кишечника и желудка по сравнению со скелетной. Он обнаружил (1792-1795) электрическую раздражимость органов зрения и вкуса у человека. Эти работы имели большое значение в истории методов физиологического эксперимента.

В 1800 г. Вольта изобрёл так называемый Вольтов столб – первый источник постоянного тока, состоявший из 20 пар кружочков из двух различных металлов, разделённых смоченными солёной водой или раствором щёлочи прослойками ткани или бумаги. Изобретение вольтова столба доставило Вольта всемирную славу и оказало огромное влияние не только на развитие науки об электричестве, но и на всю историю человеческой цивилизации. Вольтов столб возвестил о наступлении новой эпохи – эпохи электричества. Позднее такие элемен¬ты стали называть гальваническими.

Вольта был избран членом Парижской и других академий, Наполеон сделал его графом и сенатором Итальянского королевства. Именем Вольта названа единица электрического напряжения – вольт.

рис.1.Вольтов столб

Установив это, ученый изобрел первую электрическую батарею постоянного тока – Вольтов столб, который состоял из 20 пар медных и цинковых кружков, разделенных картонными прокладками, смоченными кислотой. Положительным электродом в этой батарее служил кружочек из меди, отрицательным – кружочек из цинка. Позднее такие элементы стали называть гальваническими.

Предоставим слово современнику той поры - выдающемуся французскому ученому Араго, написавшему биографию Вольты:

"В начале 1800 года вследствие теоретических соображений знаменитый профессор придумал составить длинный столб из кружков: медного, цинкового и мокрого суконного. Чего ожидать заранее от такого столба? Это собрание, странное и, по-видимому, бездействующее, этот столб из разнородных металлов, разделенных небольшим количеством жидкости, составляет снаряд, чуднее которого никогда не изобретал человек, не исключая даже телескопа и паровой машины".

Он поставил следующий эксперимент: четырех своих помощников он поставил на смолу, чтобы изолировать от земли. Первому из стоящих велел взять в мокрую правую руку цинковую пластинку, а левой коснуться языка своего соседа. Тот, в свою очередь, должен был мокрым пальцем коснуться глазного яблока следующего. Третий и четвертый держали в руках свежепрепарированную лягушку. И кроме того, у четвертого в свободной мокрой руке была зажата серебряная пластинка. Когда серебро касалось цинка, язык второго чувствовал кислый вкус, в глазу у третьего вспыхивало световое пятно, лапки лягушки между третьим и четвертым начинали дергаться. Превосходный результат! Разве не доказывает он, что никакого "животного электричества" не существует? Все дело в контакте различных металлов.

После статьи в "Физико-медицинском журнале" в 1794 г., где он утверждал, что надо говорить не о "животном" электричестве, а об электричестве "металлическом", оставалось дожидаться только одного: появления технического устройства из металлов, генерирующего электрический ток. Но идеи подобного устройства у Вольты в то время не было. Прошло пять лет, наполненных опытами, дискуссиями, размышлениями, сомнениями. Но вот в самом конце 1799 г. Вольта изготавливает источник электрического тока из двух разнородных металлов, разделенных влажным телом. Это был вольтов столб.

В Парижской академии наук организовали специальную комиссию по изучению гальванизма. В нее вошли самые известные ученые. Они соорудили по описаниям вольтов столб и повторили все эксперименты итальянского исследователя перед его приездом. Погрузив один из концов "электродвигательного прибора" в воду и присоединив к другому его концу металлическую проволоку, академики засовывали руку в чашку с водой и одновременно прикладывали второй электрод к языку, к веку, к кончику носа или на лоб. В момент замыкания цепи следовал такой удар, что некоторые чуть не лишались языка. Но... наука требует жертв. Ощущения были настолько неожиданными! При наложении проволоки на веко создавалось ощущение вспышки. А когда два электрода от противоположных полюсов батареи вставляли в уши, в голове раздавался шум... "Это было нечто вроде треска или лопанья, как если бы кипело какое-то масло или вязкое вещество", - писал сам Вольта. Он полагал, что в дальнейшем его прибор сможет послужить медикам для излечения болезней. Другого применения гальваническому электричеству он не представлял.

После опытов Гальвани ученые заинтересовались и “животным” электричеством, как его назвал Дюбуа Реймон (1818-1896). И. М. Сеченов (1829-1905), А. Ф. Самойлов, Б. Ф. Вериго и другие русские физиологи внесли значительный вклад в изучение этого интересного явления. В 1881 г. И. М. Сеченов в спинном и головном мозгу лягушки обнаружил так называемые спонтанные (сами собой возникающие) электрические колебания.

В 1882 г. Знаменитый русский физиолог Н. Е. Введенский впервые в мире с помощью телефона услышал биоэлектрические токи, возникающие в мышцах и нервах человека.

По мере того как совершенствовались электроизмерительные приборы, электрические токи (или биотоки) обнаруживались у все большего числа животных и растений. Из отдельных работ выросла специальная научная дисциплина – электрофизиология.

2..Электрические токи в живых организмах

2.1. Электрические рыбы

Люди узнали про электрических рыб довольно давно: ещё в Древнем Египте для лечения эпилепсии использовали электрического ската, анатомия электрического угря подсказала Алессандро Вольте идею его знаменитых батарей, а Майкл Фарадей первым рассчитал мощность “батарей” электрического угря: она равна 15 заряженным лейденским банкам с общей рабочей поверхностью элементов – 2250 квадратных метров.

Несмотря на то что во времена Фарадея техника регистрации токов была несовершенна, его опыты оказались безупречными.Электроды, которые Фарадей прикладывал к голове и хвосту рыб, были подключены к соленоиду со стальной иглой. В момент прохождения по соленоиду импульса тока игла намагничивалась, и по магнитным полюсам на концах иглы ученый определял полярность исследуемых участков тела рыб.

Рыбы используют разряды:чтобы освещать свой путь;для защиты, нападения и оглушения жертвы; - передают сигналы друг другу и обнаруживают заблаговременно препятствия.

Сначала биологи обнаружили странное поведение небольшой пресноводной рыбки – американского сомика. Он чувствовал приближение к нему металлической палочки в воде на расстоянии нескольких миллиметров. Английский ученый Ганс Лиссман заключал в парафиновую или стеклянную оболочку металлические предметы, опускал их в воду и рыбка чувствовала металл. Действительно, оказалось, что рыбы имеют специальные органы, которые воспринимают слабую напряженность электрического поля.

Проверяя чувствительность электрорецепторов у рыб, ученые проводили опыт. Закрывали аквариум с рыбкой темной тканью или бумагой и водили рядом по воздуху небольшим магнитом. Рыбка чувствовала магнитное поле. Потом исследователи просто водили возле аквариума руками. И она реагировала даже на самое слабое, создаваемое человеческой рукой, биоэлектрическое поле.

Рыбы не хуже, а порой и лучше самых чувствительных в мире приборов регистрируют электрическое поле и замечают малейшее изменение его напряженности. Рыбы, как оказалось, не только плавающие “гальванометры”, но и плавающие “электрогенераторы”. Они излучают в воду электрический ток и создают вокруг себя электрическое поле.С помощью электрических сигналов рыбы могут даже особым образом “переговариваться”. Угри, например, при виде пищи начинают генерировать импульсы тока определенной частоты, привлекая тем самым своих собратьев. А если двух рыб поместить в один аквариум, частота их электрических разрядов сразу же увеличивается.

В настоящее время известно, что из 20 тыс. современных видов рыб около 300 способны создавать и использовать биоэлектрические поля. По характеру генерируемых разрядов такие рыбы делятся на сильноэлектрические и слабоэлектрические и воспринимающие

Сильноэлектрические

Слабоэлектрические

Воспринимающие

Электрический угорь до 600 в

Электрический сом до 350 В

Электрический скат

Рыба-нож

Рыба-слон

Акулы

большинство скатов

Коньки

большинство сомов

Веслонос

2.1.1.Электрический угорь

Электрический угорь - рыба из , единственный вид рода Electrophorus . Населяют реки северо-восточной части и притоки среднего и нижнего течения .

Еще первые завоеватели Америки нашли свою смерть в непроходимых лесах и болотах Южной Америки. Но это не останавливало жадных до золота авантюристов. В джунгли отправлялись все новые и новые экспедиции.

Одному из таких отрядов удалось проникнуть в верховье Амазонки. Несколько месяцев плыли люди по реке, прежде чем достигли ее истоков. Дальше плыть стало невозможно, и отряд двинулся в джунгли по суше. Дорогу преграждали непроходимые заросли, страшные топкие болота. Все шло хорошо, пока отряд не достиг цепочки соединенных между собой мелких луж. Индейцы носильщики категорически отказались войти в воду. В глазах их отражался ужас. Европейцы никак не могли понять, в чем дело. Лужи были такие мелкие, что в них не могли прятаться ни крокодилы, ни гигантские анаконды. Гроза южноамериканских рек - рыбы пираньи также не могли здесь оказаться.

Один из европейцев пошел вперед, чтобы подать пример испуганным носильщикам. Но едва он сделал несколько шагов, как с нечеловеческим криком рухнул навзничь, точно сбитый с ног могучим ударом. Два товарища, бросившиеся ему на помощь, в ту же секунду оказались в грязи, опрокинутые все тем же невидимым противником. Лишь через час их спутники отважились осторожно войти в воду и вынесли на сушу пострадавших товарищей. Все трое остались живы, но продолжать путь отряд уже не мог. У жертв невидимого врага были парализованы ноги. К вечеру ноги понемногу начали двигаться, но только через несколько дней больные окончательно выздоровели. Отряд решил вернуться назад. Так впервые европейцы узнали еще об одной подводной электростанции, которая находится в теле довольно крупной рыбы – пресноводного угря. Теперь эти рыбы получили название электрических угрей. Размеры их 1,5 - 2 метра, а вес 15 - 20 килограммов. Живут они в мелких ручьях и болотах. Когда болота пересыхают, угри зарываются в ил, пока не наступит следующий сезон дождей.

Кожа у электрического угря голая, без чешуи, тело сильно удлинённое, округлое в передней части и несколько сжатое с боков в задней части. Окраска взрослых электрических угрей оливково-коричневая, нижняя сторона головы и горла ярко-оранжевая, край анального плавника светлый, глаза изумрудно-зелёные. Питается угорь в основном, мелкой рыбешкой. Электрический угорь - опаснейшая рыба среди всех электрических рыб. . В тех местах, в которых живет угорь, чаще всего большой недостаток кислорода. Поэтому у электрического угря появилась особенность поведения. Под водой угри находятся около 2 часов, а потом выплывают на поверхность и дышат там в течение 10 минут, тогда как обычным рыбам достаточно всплывать на несколько секунд. Электрический угорь агрессивен. Может напасть без предупреждения, даже если никакой угрозы для него не существует. Если что-то живое попадет в зону действия его силового поля, то угорь не станет прятаться или уплывать прочь. Электрические органы помогают угрю искать добычу: он испускает сравнительно слабые электрические импульсы, напряжение которых не превышает 40 - 50 вольт; эти низковольтные разряды помогают ему находить мелких морских обитателей, которыми угорь питается. Кроме того, электрические угри способны воспринимать электрические разряды друг друга - во всяком случае, когда один из них ударом электрического тока парализует жертву, к добыче устремляются и другие угри..

Европейцы знакомы с электрическим угрем с 1729 года. Английский ученый Фарадей первым рассчитал мощность “батарей” электрического угря: она равна 15 заряженным лейденским банкам с общей рабочей поверхностью элементов – 2250 квадратных метров.

Несмотря на то что во времена Фарадея техника регистрации токов была несовершенна, его опыты оказались безупречными.

Электроды, которые Фарадей прикладывал к голове и хвосту рыб, были подключены к соленоиду со стальной иглой. В момент прохождения по соленоиду импульса тока игла намагничивалась, и по магнитным полюсам на концах иглы ученый определял полярность исследуемых участков тела рыб.

Приблизившись к преследуемой жертве, угорь разряжает свой парализующий удар, действие которого до того сильно, что в одно мгновение все рыбы и крабы в районе распространения этого удара опрокидываются навзничь и становятся неподвижными. Тогда он выбирает себе подходящую жертву и проглатывает ее с помощью сильного всасывающего движения, производящего явственный шум.

Обращение с электрическим угрем - дело довольно опасное. В Лондонском зоопарке угорь однажды сильно ударил электрическим током служителя, который его кормил. Другой угорь начал генерировать электрические разряды, когда его переносили в металлической коробке, и служителю пришлось бросить коробку на землю. Но только при непосредственном контакте удар угря оказывается смертельным; однако пловец, оказавшийся в воде недалеко от места разряда, может утонуть, находясь в состоянии шока. . Мясо электрического угря в Южной Америке едят. Но ловить его опасно. Один из способов ловли рассчитан на то, что угорь, разрядивший свою батарею, надолго становится безопасен. Поэтому рыбаки поступают так: в реку загоняют стадо коров, угри нападают на них и расходуют свой запас электричества. Прогнав коров из реки, рыбаки бьют угрей острогами.

Подсчитано, что 10 тыс. угрей могли бы дать энергию для движения электропоезда в течение нескольких минут. Но после этого поезду пришлось бы стоять несколько суток, пока угри восстановили бы свой запас электрической энергии. Почти 4/5 длины всего тела занято электрическими органами, которые тянутся от заднего конца полости тела до конца хвоста, и на них приходится треть общего веса. Электрический орган, студневидная ткань, разделенная соединительными перегородками, занимает большую часть тела этой удивительной рыбы: до 5/6 ее длины и 3/8 веса. Положительный полюс – у головы, отрицательный – у хвоста. Собственно, электрических органов у угря всего до полумиллиона – это миниатюрные клетки, производящие электричество, соединенные нервами последовательно, благодаря этому разряд трехметрового угря достигает 650 вольт. Электрические клетки-пластинки сложены столбиками, которые соединены между собой параллельно, что увеличивает общую силу тока до двух ампер, а мощность – до киловатта!

Рис. 2. Клетки угря под микроскопом

Электрические разряды угря различны в зависимости от назначения. Они подразделяются на импульсы покоя, поиска, лова и защиты. Угорь, спокойно лежащий на дне, не генерирует электрических сигналов. Если угорь голоден, он медленно плавает, регулярно посылая импульсы напряжением до 50 В и длительностью около 2 мс. Количество таких разрядов может сильно варьировать, а форма импульсов характеризуется пологим (постепенным) подъемом. Когда угорь обнаруживает добычу, частота и амплитуда импульсов резко увеличиваются. Он начинает испускать серии из 50-400 импульсов напряженностью 300-600 В, продолжительностью 0,6-2,0 с. Чем меньше добыча, тем выше частота следования генерируемых импульсов. Он посылает импульсы до тех пор, пока не приводит жертву в состояние наркоза. Этого достаточно что бы парализовать большинство рыб, и даже животное размером с лошадь.Между разрядами наступают продолжительные паузы, во время которых энергия восстанавливается.

Рис.3.Электрический угорь

Рис. 4. Разряд электрического угря

Защитные импульсы угорь использует при встрече с врагом. В экспериментальных условиях они возникают, если угря потревожить палочкой. При этом рыба излучает серии редких импульсов высокого напряжения - обычно два (в некоторых случаях до семи) - и три поисковых импульса небольшой амплитуды.

2.1.2.Электрический сом.

Электрический сом (лат. Malapterurus electricus) - вид придонных пресноводных рыб из рода Malapterurus семейства Электрические сомы (Malapteruridae), обитающих в тропических и субтропических водоёмах Африки. Электрического сома причисляют к сильноэлектрическим рыбам.

Ритс.5.Электрический сом

Это довольно крупная рыба: длина отдельных особей превышает 1 метр. Масса крупной особи может составить 23 кг. Тело вытянутое. Голова несёт три пары усиков. Глаза маленькие, светящиеся в темноте. Окраска довольно пёстрая: тёмно-коричневая спина, буроватые бока и желтоватое брюхо. По телу разбросаны многочисленные тёмные пятна, грудные и брюшные плавники розовые, хвостовой плавник с тёмным основанием и широкой красной или оранжево-красной оторочкой. Спинного плавника у электрического сома нет. Грудные плавники не имеют колючек. Эти рыбы обитают в бассейне Ниле и реках Западной Африки . Электрические сомы представляют большую опасность для человека, чем электрические скаты. Электрические органы сома способны производить электрические разряды, напряжение которых достигает 360 вольт. Если человек дотронется до тела сома, то может мгновенно погибнуть. Существуют рассказы о том, что пойманная рыба, которая пролежала на воздухе несколько минут (заснувшая) может производить электрические разряды, которые способны парализовать взрослого человека.

У сома хвост заряжен положительно относительно головы. Напряжение и сила тока в отдельных импульсах разряда электрического сома длиной свыше 80см могут достигать 250В и 0,5А.

Залпы, производимые сомом при захвате и заглатывании мелкой добычи, относительно коротки - в среднем они состоят из 71 импульса. Продолжительность залпов и количество составляющих их импульсов увеличиваются, если сом атакует более крупную жертву. Так, сом длиной 16 см при захвате рыбы длиной 5,5 см генерирует залп в 1297 импульсов при средней продолжительности залпа 24,8 с. Таким образом, сом в каждом конкретном случае «выбирает» наиболее оптимальный режим разрядной деятельности.

Рис. 6. Разряд электрического сома

Напряжение разряда электрического сома в воде может достигать 350 В при силе тока в десятые доли ампера. Максимальная разность потенциалов при этом образуется между головой и хвостом рыбы. После относительно мощных разрядов его электрические органы нагреваются. Характер разрядов теснейшим образом связан с условиями среды (температурой, освещенностью, временем года) и состоянием самой рыбы.

Полярность электрических полей у сома и угря различна. Впервые структуру таких полей и направление в них тока определил в 1838 г. Фарадей. У многих рыб (гимнарха, рыбыножа, гнатонемуса) голова заряжается положительно, хвост – отрицательно, а вот у электрического сома, наоборот, хвост – положительно, а голова – отрицательно.

2.1.3.Электрические скаты

Рис.7..Электрический скат

Электрический скат упоминается во многих легендах, дошедших до нас из глубины веков; толкователи снов считали, что он предвещает близкое несчастье. Греки и римляне знали, что скат владеет источником какой-то странной энергии, и, поскольку электричество тогда не было известно, полагали, что источник ее - какое-то неведомое вещество. Существовало и еще одно поверье - будто скат, пойманный на бронзовый крючок, убивает забросившего снасть рыбака, причем смерть наступает от свертывания крови

Электрические скаты, обитающие и в умеренной, и в тропической зонах, способны создать на своих "электродах" напряжение до 50 вольт и выше; этого достаточно, чтобы убивать рыб и ракообразных, которыми питаются скаты. Электрический скат похож на гибкий блин с длинным и толстым хвостом. Охотясь, скат бросается на жертву всем телом и "обнимает" ее своими "крыльями", на концах которых находятся электрические органы. Объятие смыкается, "электроды" разряжаются - и скат убивает свою жертву разрядом тока.

Самый крупный из электрических скатов - это Torpedo nоbiliana, обитатель вод Северной Атлантики; в длину он достигает 1,8 метра, весит около 100 килограммов и способен создавать разность потенциалов в 200 вольт - этого достаточно, чтобы убить любое животное, оказавшееся в воде поблизости. Особая действенность электрического разряда в воде объясняется тем, что вода - хороший проводник электрического тока.

Скаты излучают разряды залпами, в каждом из которых насчитывается 2-10 и более импульсов. Продолжительность каждого 3-5 мс В отличие от электрического угря скаты не испускают слабых импульсов. В 1960 г. на выставке, организованной английским Научным королев¬ским обществом в честь 300-летия со дня его основания, среди загадок природы, которые человеку предстоит раскрыть, демонстрировался обычный стеклянный аквариум с находящейся в нем рыбой -электрическим скатом. К аквариуму через металлические электроды был подключен вольтметр. Когда рыба была в покое, стрелка вольтметра стояла на нуле. При движении рыбы вольтметр показывал напряжение, идостигавшее при активных движениях 400 В. Надпись гласила: "Природу этого электрического явления, наблюдавшегося задолго до организации английского королевского общества, человек разгадать до сих пор не может".

В момент излучения мощных импульсов как вне, так и внутри тела сильноэлектрических рыб проходят токи высокого напряжения. Почему же эти рыбы не подвергаются действию собственных разрядов? Подобная невосприимчивость объясняется тем, что в их теле находятся особые «электропровода» - участки, отличающиеся от соседних более высокой электропроводностью. Так, у мраморного электрического ската сопротивление участков кожи, покрывающих электрические органы, в 3-4 раза ниже, чем сопротивление участков кожи, покрывающих другие органы. Электрический ток в основном проходит через эти участки, почти не воздействуя на остальные.

В родной стихии скат не реагирует на разряды благодаря высокой электропроводности морской воды. Если же ската вынуть из воды, каждый разряд будет вызывать непроизвольное сокращение его мускулатуры.

2.1.4.Слабоэлектрические рыбы

Слабоэлектрические рыбы излучают серии почти непрерывных и ритмичных импульсов. Напряжение тока, генерируемого слабоэлектрическими рыбами, измеряется десятыми долями вольта. По характеру разрядов все эти рыбы могут быть подразделены на две группы.

К первой относят рыб, у которых разряды регулярные, монофазные, с относительно большой длительностью импульсов (2-10 мс). Частота следования импульсов варьирует от 60 до 940 в секунду. Среди рыб этой группы наиболее изучен гимнарх.

Рис.8 Гимнарх

Его разряды состоят из электрических импульсов, непрерывно следующих друг за другом с частотой приблизительно 300 импульсов в секунду. Импульсы гимнарха можно зарегистрировать и вне воды, если держать рыбу в воздухе, а электроды наложить непосредственно на кожу. Частота излучения электрических импульсов у гимнарха меняется только при изменении температуры воды (раздражение и физиологическое состояние не оказывают влияния). Наиболее четко проявляются разряды при температуре воды 28°.

Рис.9.Электрическое поле гимнарха (вид сверху).Рис 10. Одиночные импульсы гимнарха

Излучаемые гимнархом разряды состоят из отдельных монофазных импульсов длительностью 1,3 мс с интервалами 2,3 мс (рис. 10). Хвост рыбы становится электроотрицательным относительно головы. Разность потенциалов, возникающих на хвосте и голове,- сотые доли вольта.

Каждый разрядный импульс образует вокруг гимнарха характерное электрическое поле (рис. 9), оно расположено горизонтально по оси тела. Поле у головы и хвоста рыбы несимметрично - вокруг головы более растянуто, что обусловлено расположением электрических органов на хвосте гимнарха.

Наиболее типичный и хорошо исследованный представитель этой группы - африканский слоник. Его разряды состоят из отдельных двухфазных синусоидальных импульсов, амплитуда и частота следования которых зависят от степени возбуждения рыбы и факторов окружающей среды: температуры, освещенности, солености воды, присутствия различных объектов (рис. 10). Частота следования импульсов колеблется от 5 до 50 в секунду.

Рис.11.Африканский слоник. Рис 12.Импульсы африканского слоника

2.2. Электрические явления в мире растений

Электрические явления растений изучены на сегодняшний день недостаточно. Электрические импульсы растений - все еще весьма новая область исследований. В ней многое неизвестно, поэтому можно привести лишь одиночные примеры

Способность растений к опылению известно со времен Чарлза Дарвина. Одни цветки привлекают насекомых яркой окраской своих лепестков, другие - своим запахом, третьи имитируют образ привлекательных для спаривания насекомых... И вот новое открытие!

Группа ученых бристольской школы биологических наук (Bristol"s School of Biological Sciences) под руководством профессора Дэниела Роберта (Daniel Robert) обнаружила, что у растений есть своя система электрических сигналов, которая помогает им привлекать опылителей.

Известно, что растения окружены слабым электрическим током и несут отрицательный заряд. Шмели же несут на себе положительный заряд до 220 вольт. Из-за трения в воздухе о частицы взвешенной пыли они теряют часть своих электронов, поэтому, при подлете к цветку, возникает лишь небольшая электрическая сила, которая может передавать определенную информацию.

Ученые поместили в стеблях полусотни петуний электроды и обнаружили, что, когда пчела приземляется на цветок, его заряд на несколько минут становится положительным. Исследователи предполагают, что таким образом растение сообщает другим пчелам, что его нектаром уже полакомились. С другой стороны ученые были удивлены тем, что главным привлекающим фактором для насекомых является вовсе не аромат цветка, а его электрическое поле. Это выяснилось в результате следующего эксперимента.

Шмелей запустили на площадку с искусственными цветами. Одни из них имели положительный заряд и были обработаны сахарозой (аналог нектара). Другие цветки были заземлены и имели горький "нектар".Первоначально шмели садились на цветки с электрическим зарядом и сахарозой. Когда искусственные цветки отключили от электричества, шмели стали садиться на "сладкие" и "горькие" цветки в произвольном порядке. К тому же, вероятно, электрическое поле цветка усиливает для насекомого и привлекательность окраски его лепестков. Ученые собираются доказать, что способностью к электрорецепции обладают не только шмели, но также бабочки и мотыльки.

Первые бесспорные доказательства существования электрических процессов в растительных тканях были получены в середине XIX в. Так называемые токи повреждения обнаружились в различных растительных тканях. Срезы листьев, стебля, клубней всегда заряжены отрицательно по отношению к нормальной ткани.Если разрезать яблоко пополам и вынуть середину, то оба электрода, приложенные к кожуре, не выявят разницы потенциалов. Если же один электрод приложить к кожуре, а другой перенести во внутреннюю часть мякоти, гальванометр отметит появление тока повреждения.

Выяснилось, что в момент гибели некоторых растительных тканей их потенциал резко возрастает. Индийский исследователь Бос соединил внешнюю и внутреннюю части зеленой горошины с гальванометром и затем нагрел ее до температуры 60 °С. При этом был зарегистрирован электрический потенциал 0,5 В!

Были открыты электрические ритмы растений. Если поместить кончик корня молодого бобового растения в воду и измерить разность потенциалов между корнем и наружной средой, то эта величина колеблется с периодом 5 - 20 мин, причем амплитуда колебаний уменьшается по мере удаления от ко нчика корня, а частота сильно зависит от температуры окружающей средыСпособность многих цветов и листьев складываться или раскрываться в зависимости от времени суток также обусловливается электрическими сигналами, представляющими собой потенциал действия. Закрытие листьев можно стимулировать искусственно с помощью электрического раздражения.

Известна реакция многих цветов на механические раздражения - выделение нектара. Оказалось, что при механическом раздражении некоторых частей цветка возникают электрические импульсы, передающиеся по железистым клеткам в проводящие пучки, и, достигая нектарника, стимулируют его деятельность. Реакция нектарника очень быстрая: выделение нектара начинается сразу же после того, как насекомое садится на цветок.

Движения листьев мимозы тоже управляются с помощью электрической системы сигнализации. Бос установил, что если сочленовую подушечку мимозы раздражать короткими импульсами электрического тока, ее реакция (механическое движение) будет не мгновенной, а с запаздыванием на 0,1 с. Такая скорость реакции сравнима со скоростью реакции многих животных. Время складывания листа составляет около 3 с. После непродолжительного покоя лист начинает подниматься. Возвращение листа в исходное состояние занимает около 16 с. Если последовательные раздражения осуществлять слишком часто, наступает утомление - как и при раздражении мышцы животного.

2.3. Эффекты действия токов в теле человека

Тело человека – хороший проводник электрического тока. Сопротивление тела человека при нормальном кожном покрове составляет 3 – 100 кОм. Безопасным является электрический ток, длительное прохождение которого не причиняет организму вреда и не ощущается человеком.

По технике безопасности величина силы тока не должна превышать 50 мкА.

Человек способен ощущать электрический ток от 1 мА. Опасным ток становится - 0,01А(переменный), 0,05А (постоянный ток).При таком воздействии током человек способен разорвать электрическую цепь. Если сила тока выше данных значений, то для человека,это становится смертельно опасной Электропроводность кожи, через которую ток проходит главным образом по каналам потовых и отчасти сальных желез, зависит от трещин и состояния ее поверхностного слоя. Тонкая и особенно влажная кожа, а также кожа с поврежденным наружным слоем эпидермиса хорошо проводит ток. Наоборот, сухая огрубевшая кожа - весьма плохой проводник. Электрический ток, проходя через организм человека, возбуждает живые ткани организма. Степень возникающих изменений зависит от силы тока и его вида (переменный или постоянный).

Классификация токов по степени воздействия на человека

Воздействие, ощущение

Переменный, мА

Постоянный, мА

1. Предел ощущения (легкое покалывание)

0.6 – 1.2

5 – 8

Допустимый

2. Ощущаемый ток (острая боль, но можно оттолкнуть, отбросить токоведущую часть)

8 – 10

20 – 25

3. Не отпускающий (происходит судорожное сжатие мышц, человека необходимо отрывать от токоведущих частей)

20 – 25

50 – 80

Недопустимый

4. Фибриляционный электрический ток (смертельно опасный: нарушение работы сердца)

50 –100

250

2.3.2.Открытие лейденской банки

Лейденская банка- один из видов электрических конденсаторов,называется иногда банкой Клейста. Его электрическое действие впервые было апробировано на человеке. Лейденская банка была изобретена почти одновременно немецким физиком Клейстом и голландским физиком Мушенбруком в 1745 - 1746 гг. Свое название она получила по имени города Лейдена, где Мушенбрук впервые проделал с ней опыты по изучению электрических явлений.

Рис.13. Лейденская банка Рис.14..Первоначальная форма лейденской банки

Этот конденсатор имеет форму банки(рис.14), т. е. цилиндра с более или менее широким горлом или же просто цилиндра, обыкновенно стеклянного. Банка обклеена листовым оловом снаружи и внутри (наружная и внутренняя обкладки) примерно до 2 / 3 высоты и прикрыта деревянной крышкой, сквозь которую проходит проволока с цепочкой, частью ложащейся на дно банки, тоже оклеенное оловом внутри и снаружи. Такова была банка в первоначальном виде, когда ее устроил (1745) голландский физик Мушенброк и когда впервые испытал удар от разряда банки лейденский гражданин Кунеус.

.

Рис.14 . Голландский физик Питер Мушенброк

Мушенбрук так описывал свое изобретение в письме к французскому ученому Реомюру: «Хочу сообщить Вам новый, но ужасный опыт, который не советую повторять. Я занимался изучением электрической силы. Для этого я подвесил на двух шелковых голубых нитях железный ствол, получающий электричество от стеклянного шара, который быстро вращался вокруг оси и натирался руками. На другом конце висела медная проволока, конец которой был погружен в стеклянный круглый сосуд, заполненный наполовину водой, который я держал в правой руке; левой же рукой я пытался извлекать из электрического ствола искру. Вдруг моя правая рука была поражена ударом с такой силой, что все тело содрогнулось, как от удара молнии.Несмотря на то что сосуд, сделанный из тонкого стекла, не разбивается и кисть руки обычно не смещается при таком потрясении, тем не менее локоть и все тело поражаются столь страшным образом, что я не могу выразить словами, я думал, что пришел конец».

В 1745 г. Эвальд Георг фон Клейст (1700 – 1748) уже 24-й год занимал должность декана (старшего священника) собора в маленьком городке Каммин в Померании. До этого он получил образование в университетах Лейпцига и Лейдена (Голландия), где обучался юриспруденции.

В свободное от служб в соборе время Клейст потихоньку ставил электрические опыты, используя в качестве источника электричества электростатическую машину. Однажды Клейст решил зарядить железный гвоздь. 11 октября 1745 г. он вставил его для изоляции в медицинскую склянку и поднес его к кондуктору работающей электростатической машины; спустя некоторое небольшое время гвоздь должен был зарядиться. Для того чтобы вытащить гвоздь из склянки, Клейст, держа склянку в одной руке, другой взялся за головку гвоздя и получил ощутимый электрический удар. Клейст наполнил склянку вначале спиртом, потом ртутью и повторил опыт. Удары усилились. Они приводили в содрогание всю руку и плечо.

Вскоре лейденская банка была усовершенствована: внешнюю и внутреннюю поверхность стеклянного сосуда стали обклеивать металлической фольгой(рис13). В крышку банки вставляли металлический стержень, который сверху заканчивался металлическим шариком, а нижний конец стержня при помощи металлической цепочки соединялся с внутренней обкладкой.

В июне 1772 года член Королевского общества и английского парламента сэр Джон Уолш приехал во Францию с лейденской банкой и дал местным рыбакам возможность ощутить прелесть ее физиологического воздействия, спрашивая при этом, схоже ли оно с воздействием нарковых скатов. Ответы были единодушно утвердительными. Воздействие ската передавалось через замкнутую цепь людей и прекращалось при малейших разрывах цепи или при включении в нее изоляторов.

За помощью в решении этого сложнейшего вопроса Джон Уолш обращается к самому легендарному физику Великой Британии - сэру Генри Кавендишу, человеку незадолго до этого экспериментально проверившему закон, который позже был назван именем Кулона. Кавендиш изготовил дипольную модель, имитирующую ската. Используя батарею из 49 лейденских банок, соединенных в семь параллельных столбов, удалось вызвать физиологический эффект от модели не только в воздухе, но и в морской воде.

Так в 1773 году Уолш с помощью Кавендиша доказал электрическую природу разрядов электрических рыб. Кавендиш предположил, что электрические органы представляют собой батарею из большого числа маленьких слабозаряженных лейденских банок. Описывая пути протекания токов в проводящей среде, он предложил идею силовых линий и первым изобразил электрическое поле ската. Одним из важнейших последствий изобретения лейденской банки явилось установление влияния электрических разрядов на организм человека, что привело к зарождению электромедицины это было первое сравнительно широкое практическое применена электричества, сыгравшее большую роль в углублении изучении электрических явлений.

Опыт Мушенбрука был преведен в присутствии французского короля аббатом Нолле. Он образовал цепь из 180 гвардейцев взявшихся за руки, причем первый держал банку в руке, а последний прикасался к проволоке, извлекая искру. «Удар почувствовался всеми в один момент; было курьезно видеть разнообразие жестов и слышать мгновенный вскрик десятков людей». От этой цепи солдат и произошел термин «электрическая цепь».

При проведении исследований с банкой было установлено (в 1746 г. англичанином Б. Вильсоном), что количество электричества, собираемое в банке, пропорционально размеру обкладок и обратно пропорционально толщине изоляционного стоя. В 70-х гг. XVIII в. металлические пластины стали разделять не стеклом, а воздушным промежутком - так, появился простейший конденсатор.

В 1746 г. профессор физики Лейпцигского университета Иоганн Генрих Винклер с большим энтузиазмом принялся повторять опыт с лейденской банкой. По окончании опыта он говорил, что у него были сильные конвульсии в теле и дважды кровотечения из носа, чего с ним прежде никогда не бывало. С его женой, тоже попробовавшей на себе действие зарядов лейденской банки, случилось то же самое.

2.3.4.Первые исследования действия тока на тело человека

Как мы видели выше, уже Мушенбрук, описывая изобретение лейденской банки, обратил внимание на сильное и необычное действие электрического разряда на человека.

Первые опыты по действию на тело электрического тока был выполнен племянником - Джованни Альдини. Прославился он тем, что смешал серьёзное исследование с леденящим душу зрелищем. Он практиковал так называемые электрические пляски, проявлявшиеся в форме публичных экспериментов, которые были призваны подчеркнуть эффективность электрического возбуждения для получения спазматических движений мускулов, для демонстрации этого использовались отсеченные головы казненных преступников. Он предложил вниманию широкой публики эксперимент над телом казненного убийцы Джорджа Форстера. . в Лондоне была его самая выдающаяся демонстрация, а именно гальванические экзерсисы с купленным телом повешенного убийцы. Он подсоединял полюса 120-вольтного аккумулятора к телу казненного убийцы Джорджа Форстера, после чего тело пустилось в омерзительный пляс. Когда он подсоединял провода к лицу, оно корчилось в жутких гримасах, левый глаз открывался, как будто хотел посмотреть на своего учителя. Некоторые зрители боялись, что преступник на самом деле оживет, и тогда придется казнить его снова. Газета London Times писала: «Несведущей части публики могло показаться, что несчастный вот-вот оживет».

Рис..15. Опыты Джованни Альдини

Вот как был описан этот опыт Альдини, одним из его современников: «Восстановилось тяжелое конвульсивное дыхание; глаза вновь открылись, губы зашевелились и лицо убийцы, не подчиняясь больше никакому управляющему инстинкту, стало корчить такие странные гримасы, что один из ассистентов лишился от ужаса чувств и на протяжении нескольких дней страдал настоящим умственным расстройством».

Вольта повторил перед Наполеоном опыты по оживлению отрезанных членов с помощью малых количеств электричества. "Я делал их не только над лягушками, но и над угрями и над другими рыбами, над ящерицами, саламандрами, змеями и, что важнее, над мелкими теплокровными животными, именно над мышами и птицами", - писал ученый в 1792 году, в самом начале исследований, приведших в итоге к великому изобретению. Представьте себе разнообразные отрезанные части различных животных, лежащие совершенно недвижно, как и подобает отрезанным членам, из коих вытекла жизненная сила. Малейшее прикосновение Вольтова столба - и плоть оживает, трепещет, сокращается и содрогается. Были ли в истории науки опыты, более потрясающие воображение?

В 1801 году в Париже произошло яркое событие, неоднократно описанное историками науки: в присутствии Наполеона Бонапарта состоялось представление работы "Искусственный электрический орган, имитирующий натуральный электрический орган угря или ската" с демонстрацией модели этого органа. Наполеон щедро наградил автора: в честь ученого была выбита медаль и учреждена премия в 80 000 экю. Все ведущие научные общества того времени, включая Петербургскую академию наук, изъявили желание видеть его в своих рядах, а лучшие университеты Европы были готовы предоставить ему свои кафедры. Позднее он получил титул графа и был назначен членом сената Королевства Италия. Речь идет об Алессандро Вольте и его изобретении - Вольтовом столбе, прообразе всех современных батарей и аккумуляторов. Вскоре этим действием заинтересовались врачи. Возникла мысль о том, что в живом организме существуют электрические токи, которые играют в нем какую-то важную роль. Вместе с этим пришло убеждение о возможности применения электричества для лечения болезней.

С этой целью стали производить опыты по электризации людей, пропусканию через тело человека электрического тока и т. д.

В начале прошлого столетия известный французский ученый профессор Ледюк сделал замечательное открытие. Он установил, что прерывистый постоянный электрический ток умеренной силы, пропускаемый через головной и спинной мозг, не убивает животное, а приводит его в состояние глубокого сна с потерей подвижности и чувствительности. Это состояние было названо ученым электрическим наркозом. Наркотизирующий ток не опасен: если его выключить, животное быстро просыпается и кажется вполне нормальным.

Профессор Ледюк изобрел аппарат, главная деталь которого - особый прерыватель тока, проходящего через тело подопытного животного.

Испытав действие своего аппарата на животных, Ледюк решил испытать его пригодность для наркоза людей. Первый опыт он сделал на себе. Однако полного наркоза осуществить не удалось, так как сердце ученого начало плохо работать уже при силе тока в 4 миллиампера, а по расчету для наркоза требовалось не менее 7 миллиампер. Узнав о действии электронаркоза на сердце, Ледюк отказался от опытов на людях, решив, что аппарат и сама методика еще недостаточно усовершенствованы, и стал производить систематические эксперименты на животных.

Однако опыты на людях производились другими учеными. Замечательнее всего оказалось, что тот же, обычно наркотизирующий, ток в некоторых случаях был способен восстанавливать жизнедеятельность организма.

В 1787 г. английский врач и физик Адаме впервые создал специальную электростатическую машину для лечебных целей. Ею он широко пользовался в своей медицинской практике (рис. 16) и получал положительные результаты, которые можно объяснить и стимулирующим действием тока, и психотерапевтическим эффектом, и специфическим действием разряда на человека.

Эпоха электростатики и магнитостатики, к которой относится все, о чем говорилось выше, завершается разработкой математических основ этих наук, выполненной Пуассоном, Остроградским, Гауссом.

Рис. 16. Сеанс электролечения (со старинной гравюры)

Использование электрических разрядов в медицине и биологии получило ши рокое обсуждение и споры.

Интерес к использованию электричества в медицине возрастал. Руанская академия объявила конкурс на лучшую работу

Вряд ли Луиджи Гальвани, в конце XVIII века открывший «животное» электричество, и Нильс Бор, в начале XX веке предположивший планетарную модель атома, предполагали, что их открытия не только положат начало широкому, нарастающему применению электричества, но и послужат основой научных исследований по разгадке величайшей тайны природы - где начинается жизнь? Где проходит грань между живой и неживой природой?

Электричество вошло в жизнь человека, изменило условия его труда и быта. Многообразны примеры применения электричества в промышленности, на транспорте, в связи, в быту, в медицине и искусстве. Электричество позволило создать новую технологию производства и материалы, не существующие в природе. Электромобиль, идущий на смену автомобилю, будущее индивидуального транспорта. В жизни много примеров, когда электричество спасало жизнь человека.

Огромное достижение в области протезирования. Перспективны работы по созданию искусственного сердца. Человек с сердцем, пересаженным от погибшего при катастрофе, живёт годами, если его сердце и сердце его донора имеют совместимость биопотенциалов.

В процессе жизнедеятельности каждый живой организм- человек, животное или другое существо - создаёт вокруг себя различные поля и излучения. Их сложная картина отражает работу физиологических систем, обеспечивающих гомеостаз организма, т. е постоянство внутренней среды. Изучение биополей и биоизлучений открывает новые диагностические возможности, поэтому подобными исследованиями занимаются ученые всего мира, среди которых ведущую роль играют отечественные ученые и инженеры. Описанные ниже методы визуализации физических полей и излучений позволяют существенно расширить возможности наших органов чувств, заглянуть в самую глубину тела и мозга, понаблюдать физиологическую жизнь в её изменениях. Для медицинской диагностики эти методы обладают особой ценностью, поскольку они являются абсолютно стерильными и неинвазивными. Кроме того, эта основа ранней диагностики, т. к. функциональные нарушения появляются обычно задолго до возникновения необратимой патологии, когда больного ещё можно легко вылечить.

Во взаимодействии с электромагнитными полями возникла и развилась жизнь на Земле. Электричество присуще всему живому, в том числе и наиболее сложной его форме – жизнедеятельности человека.

Очень много сделано учёными в изучении этого удивительного взаимодействия электричества и живого, но многое пока ещё скрывает от нас природа.

Цель статьи: теоретически и экспериментально исследовать возникновение статического электричества в живой природе.

Задачи исследования:

Установить факторы и условия, способствующие возникновению статического электричества.

Установить характер воздействия статического электричества на живые организмы.

Сформулировать направления полезного использования получившихся результатов.

Историческая справка

Откуда пришло к нам это слово – электричество? Историю науки об открывает электрических явлениях можно начать с исследований Гильберта, врача английской королевы Елизаветы, который в 1600 г. опубликовал свой первый научный трактат « О магните, магнитных телах и большом магните – Земле. ». В нём было описано более 600 опытов по изучению магнитных и электрических явлении и сделана первая попытка создания теории электричества и магнетизма.

До 1600 г. учение об электрических явлениях оставалось практически на уровне знаний Фалеса Милетского, который ещё в VI веке до нашей эры одним из первых описал способность натёртого янтаря притягивать к себе лёгкие предметы.

Слово янтарь произошло от латышского gintaras. Греки, собиравшие прозрачный, золотисто-жёлтый янтарь на берегах Балтийского моря, называли его (электро). У древних римлян и арабов для янтаря было много названий: смола веков, слёзы дочерей Солнца, солнечный камень. С древних времён существовало много легенд и преданий о янтаре. Вот одна из них.

Фаэтон-сын бога солнца Гелиоса и океаниды Климены – уговорил своего отца позволить ему проехать по небу в золотой колеснице вместо него самого. Отец уступил настойчивым просьбам сына. Сел Фаэтон в колесницу и помчался по небу. Но крылатые огненные кони сразу почувствовали слабую руку юноши. Они понесли колесницу, пролетели близко от Земли, опалив её огнём. На Земле начался страшный пожар. Разгневанный Зевс-громовержец метнул огненную молнию в несчастного Фаэтона и убил его. Тело упало в воду реки Эридан. Сёстры Фаэтона, прекрасные Гелиады, превратившись в прибрежные тополя, безутешно оплакивали погибшего брата. От горя склонились стройные деревца у гробницы, а девичьи горькие слёзы застыли янтарными гроздьями в студеной воде.

Чем привлекали внимание древних эти тёплые камни удивительной красоты, иногда содержащие внутри диковинных маленьких насекомых? Они обладали одним необычным свойством – могли притягивать пылинки, обрывки нитей, кусочки папируса. Это свойство янтаря, очевидно, определяло в древности его название в языках разных народов: греки называли его электроном - притягивающим к себе, римляне - харпаксом, что означало грабитель, персы - кавубой, т. е. камнем, способным притягивать мякину.

Считалось, что удивительное свойство янтаря было открыто дочерью Фалеса Милетского. Но оно, скорее всего, было известно и раньше. Так, Гумбольт, побывавший в конце прошлого века у индейцев бассейна реки Ориноко, убедился в том, что этим, незатронутым цивилизацией племенам, тоже известны электрические свойства янтаря. Скорее всего, история о янтарном веретене дочери милетского философа - просто красивая древняя сказка.

Янтарь в те далёкие времена считался действительным лекарственными косметическим средством. Полагали, что янтарные ожерелья и чётки защищают от напастей, болезней и «дурного глаза». Наверное, поэтому на картинах старых фламандцев мадонны с младенцами на руках часто изображались с янтарными ожерельями.

В 1551 году вышел трактат Кардана « О точности », в котором он указывает, что янтарь притягивает к себе разные вещества, а магнит – только железо. Через полвека Гильберт в своём трактате « О магните » впервые употребляет слово электрический: « Электрические тела – те, которые притягивают таким же образом, как янтарь ». К ним Гильберт относит серу, стекло, гагат (разновидность каменного угля), ирис, сапфир, карборунд, бристольский алмаз, аметист, горный хрусталь, сланцы, сургуч, каменную соль и др. Оказалось, что таких веществ довольно много. Гильберт называл их электрическими веществами и заметил, что пламя уничтожает электрические свойства тел, приобретённые при трении.

Человек и электричество

С давних времён человек пытался понять явления в природе. Много гениальных гипотез, объясняющих происходящие вокруг человека, появилось в разное время и в разных странах. Мысли греческих и римских учёных и философов, которые жили ещё до нашей эры: Архимеда, Евклида, Лукреция, Аристотеля, Демокрита и других - и сейчас помогают развитию научных исследований.

Интересны в изучении темы « Электричество и человек» первые сведения об электричестве магнетизме. Идут они из старинного торгового города на Средиземном море Милета, автор их – милетский философ Фалес (конец VII – начало VIвв. до н. э.). Ученики Фалеса накапливали по крупицам сведения об электризации, которая в той или иной степени связывалась с живым организмом, с человеком. Так в античные времена были известны электрические свойства некоторых видов рыб и они даже использовались в качестве лечебного средства. За 30 лет до нашей эры Диаскорд электрическими ударами лечил подагру и головную боль. В русских летописях ХIV века имеется описание, из которого видно, что это удивительное исцеляющее средство было известно и русским. Электричество и человек – это вопрос, который интересен человеку нашего времени. Изучая электричество, многие опыты проводятся с участием человека. Например, проводя опыты с электризацией человека, его ставят на изолированную скамейку. Это делают для того, чтобы все заряды оставались в теле и не стекали в землю. Электрические опыты, которые проводятся с участием человека, не всегда влияют на него хорошо. Так, с помощью электростатической машины тело человека можно зарядить до потенциала в десятки тысяч вольт. Человеческое тело – проводник электричества. Если его изолировать от земли и зарядить, то заряд располагается исключительно по поверхности тела, поэтому заряжение до сравнительно высокого потенциала не влияет на нервную систему, так как нервные волокна находятся под кожей. Влияние электрического заряда на нервную систему сказывается в момент разряда, при котором происходит перераспределение зарядов на теле. Это перераспределение представляет собой кратковременный электрический ток, проходящий не по поверхности, а внутри организма.

Поражение током с тяжёлым исходом возможно при напряжении, начиная приблизительно с 30 В.

Тело человека является проводником электрических зарядов, при соприкосновении происходит перераспределение зарядов, и заряды разных знаков притягиваются (электростатическая индукция). Так происходит, если к заряженной гильзе, подвешенной на шёлковой нити поднести руку, в этом случае гильза притянется к руке.

Ток приводит к изменениям в теле организма. Ток, проходя через тело человека, воздействует на центральную и периферическую нервную систему, вызывая нарушение работы сердца и дыхания.

Гроза-это тоже своеобразное электричество. По некоторым данным считается, что нельзя стоять в толпе во время грозы потому, что пары, выделяющиеся при дыхании людей, увеличивают электропроводность воздуха.

Органы человеческого тела создают вокруг себя магнитное поле. Установлено, что вдоль возбуждаемого нерва примерно за пять десятитысячных секунд до передачи возбуждения образуется магнитное поле. По-видимому, в момент раздражения молекулы, несущие на себе заряд, каким-то образом изменяют своё положение в пространстве, позволяя пройти по нерву волне возбуждения. Именно это перемещение молекул, вероятно, и является причиной возникновения магнитного поля.

Впервые электризацию человеческого тела осуществил в 1740 г. аббат Ноле. Эксперимент заключается в том, что демонстратор поднимается на металлическую подставку толщиной 80 см. и соединённую с электростатическим генератором, который вырабатывает отрицательное относительно земли напряжение 30 кВ.

Электрический контакт демонстратора с площадкой должен быть безукоризненным и для этого он должен снять обувь. В действительности подошва толщиной 1см – не препятствие для зарядов (они могут пробивать шестидесятиметровый слой воздуха!), но при этом их накапливание осуществилось бы весьма неприятным образом: с помощью множества маленьких искорок, проскакивающих от подошвы к ступне.

Приближённый расчёт показывает, что при разности потенциалов в 300кВ относительно Земли накапливаемое на демонстраторе избыточное количество электронов - порядка 10 триллионов – смехотворно мало. Эта цифра может показаться огромной, но на самом деле, если сравнить её с числом электронов, естественным образом присутствующих во всех атомах и молекулах наших тел (порядка 1027), то её ничтожность становится очевидной. Подчеркнём, что значительному накоплению зарядов опять препятствует колоссальная сила их взаимного отталкивания, так что эксперимент, предоставляя взгляду зрителей удивительные эффекты, остаётся совершенно безопасным

Во –первых, волосы встают дыбом. Они показывают распределение электрического поля вблизи головы, т. е направление силовых линий: перпендикулярное проводящей поверхности, как и положено.

Во – вторых, когда наэлектризованный субъект протягивает указательный палец к пламени он подносит металлический прут к другому – заземлённому – пруту, который держит его помощник, то между прутьями проскакивает искра (прут демонстратора заряжен отрицательно, заземлённый прут-положительно).

В-третьих, вокруг головы и пальцев рук в темноте зажигается корона. Что любопытно: положительная корона оказывается гораздо более обширной, чем отрицательная. Это связано с различной подвижностью положительных и отрицательных ионов в воздухе. Последние – в большинстве своём на электроны, а гроздья молекул, налепленных на электрон,- относительно громоздки и довольно малоподвижны.

Электричество и слух

Электричество действует не только на человека в целом, но и на его органы.

Врач Петербургской Максимилиановской больницы Р. Бреннер подробно изучил, на какие органы слуха действует электрический ток. В капитальном труде, вышедшем в 60-х годах ХIХ века, он обобщил результаты собственных исследований и данные других авторов. Цель его труда – разработка терапии заболеваний органов слуха на основе более общих физиологических закономерностей. Результаты исследований возникновения и характера слуховых ощущений показали, что у больных (страдающих глухотой) и здоровых людей они различны при действии постоянного тока разного значения. Особенно отмечена Бреннером зависимость ощущения от размыкания и замыкания электрической цепи, мест расположения электродов, размеров их поверхности. Использовались различные электроды, менялась полярность, их размещение. Основным являлся активный электрод, помещённый наружном слуховом проходе, заполненном однопроцентном раствором поваренной соли. Вторым электродом служила металлическая тонкая пластина значительно большей поверхности, расположенная в опытах Бреннера и последующих исследователей на шее или предплечье. Уже тогда удалось установить возникновение слуховых ощущений у нормально слышащих людей в условиях, когда активным электродом, расположенным в ухе, является катод. Плотность тока катода благодаря малой его поверхности значительно больше, чем у анода. При таком расположении электродов возникает чёткое слуховое ощущение при замыкании

Электрической цепи постоянного тока, при размыкании цепи его нет. Обратное явление имеет место при изменении площади электродов и места их расположения, когда анодам является электрод, находящийся в слуховом проходе, а катодом - электрод с большей поверхностью. Ощущение звука возникает в момент размыкания цепи. Слуховые ощущения разными людьми оцениваются по-разному – как звон, стук, звуковой удар, шипение. Чаще всего они оцениваются как звон.

Большое значение в понимании механизма слуховых ощущений приобрели результаты исследования, при котором использовались токи различных частот, что позволило установить появление музыкального ощущения, которое наблюдалось при применении тока с частотой 1000Гц и в переходных режимах во время разряда конденсатора большой ёмкости. Определение частоты тока, при которой появляются слуховые ощущения, проводилось в сравнении с ощущением звука камертона, настроенного на определённую частоту. Обобщение полученных результатов значительно расширило представление о механизме слухового восприятия. Исследователями слуха установлено, что только тонкие волокна слухового нерва являются структурами, раздражение которых токами различной частоты вызывает слуховые ощущения в виде звука музыкальной тональности, громкости звука, словом, только для них характерно дифференцированное восприятие электрического раздражителя, полностью отсутствующее у людей, страдающих потерей слуха.

Борьба с плохим слухом – это социальная проблема. В возрасте 60 -70 лет примерно четверть населения страдает той или иной степенью тугоухости. Нарушение слуха возникает при поражении (заболевании) звукопроводящего и звуковоспринимающего аппарата. Лечение тугоухости производится обычным терапевтическими средствами; если это не помогает, то применяют слуховые усилительные аппараты.

Электросварка в живых тканях

Институт электросварки им. Е. О Патона (Украина), возглавляемый Борисом Евгеньевичем Патоном,-крупнейший в мире научно-исследовательский центр в области электросварки и электрометаллургии. Открытия и разработки его учённых используются в самых разных сферах техники и производства. А недавно электросварка стала применяться в медицине. Патоновцы не только выдвинули и обосновали теоретически и экспериментально идею соединения живых тканей электрическим током, но и в содружестве с медиками и специалистами в области электротермии реализовали её на практике.

Известно, что уже несколько поколений учёных работали и работают над созданием для хирургии новых высококачественных шовных материалов, сшивающих аппаратов, различных клеев для соединения расчётных тканей. Ведь, к сожалению, далеко не всегда операции заканчиваются успешно: нередко в рану проникает инфекция, возникает воспалительный процесс, надолго, а то и навсегда, остаётся рубец. Применять же хирургии электрический ток давно отказались, так как в зоне его действия живая ткань погибает.

Работающей над проблемой её «электросварки» группе учёных удалось остановить жизнеспособность органов и тканей в зоне воздействия электрического тока. В качестве «сварочного материала» был использован белок, который содержится в клетках и межклеточном пространстве человеческого организма. Когда хирург с помощью специального зажима, включённого в электрическую цепь «сварочного аппарата, соединяет и сжимает края ткани, под воздействием электрического тока определённого напряжения и частоты происходит коагуляция белка в месте рассечения ткани, и она таким образом надёжно «сваривается». Необходимые параметры воздействия на ткань электротоком (напряжение, частота, время действия и др.) установлены экспериментально. Опытным же путём (в экспериментах на лабораторных животных) выяснено, что через 4-6 недель после сварки структура живой ткани полностью восстанавливаются, причём без образования рубцов.

Первая в мировой практике сварка живых тканей человека при удалении у пациента желудка была выполнена в июне 2000 г. Сейчас разрабатываются и осваиваются методика проведения операций с применением электросварки на желчном пузыре, печени, кишечнике и других органах брюшной полости. Ученые, как настоящие сварщики, многократно проверяют (в условиях лабораторных опытов) надёжность соединений различных тканей. Она очень высока: например, сварной шов такого нежного органа, как желчный пузырь, выдерживает давление до 300 мм рт. ст. В результате, когда стали в последние два года проводить операции на людях, было выполнено свыше 500 соединений тканей с применением электросварки, и при этом не наблюдалось ни одного случая послеоперационного осложнения. Так что есть все основания полагать возможность значительного расширения сферы использования электросварки в медицине. Инженеры сварщики уже создали необходимую для этого автоматическую аппаратуру. Основные элементы её сварочного блока – это источник переменного электрического тока высокочастотного диапазона и компьютер, управляющий работой аппарата. Созданы также необходимые для сварки живых тканей комплекты обычного и специального хирургического инструмента.

Электрическое поле

Честь открытия биоэлектричества принадлежит профессору Булонского университета Луиджи Гальвани. Он обнаружил, что электрический ток, пропущенный по нерву препарированной лягушачьей лапки, вызывает её сокращение (этим «прибором» какое-то время пользовался даже известный ученый Георг Ом). Когда Гальвани прикоснулся к телу лягушки двумя проводниками из различных металлов, то по ним пошёл ток. На основании этого опыта Гальвани решил, что живое тело является источником животного электричества. Другой итальянский профессор – Алессандро Вольта – выразил резкое несогласие с этим утверждением. С помощью своих опытов он доказывал, что ток между двумя проводниками возникает, даже если их опустить в смолу или в раствор, схожей с ней по составу, так что животное электричество здесь не причём. И оба были не правы: Гальвани – в толковании своего опыта, а Вольта – в отрицании животного (био-) электричества. Кстати, потомки внесли ещё большую путаницу, назвав химический источник тока, работающий на открытом Вольта явлении, гальваническим, а прибор для измерения разности потенциалов электрического тока (заменивший лягушачью лапку) – вольтметром.

Тем не менее появление вольтметра и возможность устойчивой регистрации животного электричества положило начало методам исследования электрических характеристик органов человеческого организма, в первую очередь – сердца и головного мозга. Первыми наличие электрических явлений в сокращающейся сердечной мышце обнаружили немецкие ученые Р. Келликер и И. Мюллер (1856г.) на препарате лягушки, а Шарпи (1880г.) и Уоллер (1887г.) первыми записали электрокардиограмму человека.

На старинной фотографии – полураздетый пожилой мужчина, который сидит посреди комнаты, опустив ноги в два таза с растворами. Справа и слева на подставках стоят ещё два таза, в которые опущены руки человека. Комната заполнена каким-то громоздкими приборами, соединенными проводами с тазами. На лице мужчины выражение суровой решимости, говорящее о незаурядной силе духа Так происходила регистрация электрокардиограммы в начале нашего столетия, когда этот метод только начинал внедряться в медицинскую практику. В чем же суть самого процесса электрокардиографии?

Каждое мышечное волокно, в том числе и волокно сердечной мышцы, окружено оболочкой – мембраной, которая представляет препятствие для движения ионов веществ, растворённых в биологических жидкостях нашего тела. Одни ионы преодолевают эти препятствия легче, другие – труднее, поэтому концентрация ионов снаружи и внутри волокна неодинакова. Каждый ион – это электрически заряженная частица, следовательно, снаружи и внутри мембраны скапливается разное количество заряженных частиц, возникает разность электрических потенциалов. Во время сокращения мышцы в мышечном волокне и его мембране протекают сложнейшие электрохимические процессы, вследствие чего свойства мембраны резко меняются: проницаемость мгновенно увеличивается, и сквозь мембрану устремляются ионы, которые в покое не могли через нее пройти. Но движение ионов и есть электрический ток!

Измерение с помощью микроэлектродов, приведённых в непосредственной контакт с тканями сердца, показывают, что изменение потенциалов при работе этого органа составляет примерно 100мВ. Благодаря электропроводности окружающих тканей через грудную клетку при каждом ударе сердца проходит электрический ток. Подключив к любым двум точкам на поверхности тела чувствительный прибор, можно проследить изменение разности потенциалов (1-2 мВ). Эти изменения, усиленные и записанные на бумаге, и называются электрокардиограммой (ЭКГ).

Форма ЭКГ зависит и от толщины различных участков сердечной мышцы, и от расположения сердца в грудной клетке, и от того, в каком состоянии находятся различные его отделы. Если электроды помещать всегда в одних и тех же точках тела, можно по форме кривых делать соответствующие выводы. В медицинской практике наибольшее распространение получили 12 стандартных способов расположения электродов (отведений) на теле человека. После обследования пациента врач получает 12 кривых, которые позволяют ему как бы рассмотреть сердце пациента с разных сторон, чтобы точнее поставить диагноз.

Показаны электрокардиограммы здорового человека (а), а также пациентов с различными заболеваниями сердца (б-г). В норме ЭКГ состоит из трёх направленных верх зубцов (P, R, и T) и двух, направленных вниз (Q и S). Отклонения от нормы – изменение интервалов времени общего цикла между всеми или отдельными его фазами, изменение амплитудных значений напряжений зубцов и т. п. свидетельствует о нарушении работы сердца.

Электрокардиограмма снимается с помощью электрокардиографа – прибора, позволяющего измерять напряжения от 0, 01 до 0, 50 мВ с регистрацией результатов (на ленте или на экране осциллографа). Если разделить напряжение, соответствующее зубцу на кривой ЭКГ (0, 3-0,5 мВ), на входное сопротивление электрокардиографа (0,5-2 Мом), то получим силу тока (10 -11-10-12 А). Зная ток и напряжение, можно оценить величину электрической энергии, генерируемой сердцем за некоторый промежуток времени.

Аналогично исследуют деятельность головного мозга. Электроэнцефалография (от греч. мозг) – это графическая суммарная регистрация биопотенциалов отдельных его зон, областей и зон, областей и долей. Однако электрическая активность мозга мала и выражается в миллионах долях вольта, так что её регистрируют лишь при помощи специальных высокочувствительных приборов – электроэнцефалографов.

Первую электроэнцефалограмму (ЭЭГ) снял в 1913 г. русский учёный В. В. Правдин-Неминский. Он с помощью струнного гальванометра зарегистрировал различные типы изменений потенциалов обнаженного головного мозга собаки, а также представил их описание и классификацию. В 1928 г. немецкий психиатр Бергер впервые записал биотоки мозга человека, используя в качестве отводящих электродов иглы, которые вводил в лобную и затылочную области головы. Такой способ отведения биотоков мозга был вскоре заменён прикладыванием к коже головы металлических пластинок (электродов). ЭЭГ отражает как морфологические (относящиеся к строению) особенности мозговых структур, так и динамику их функционирования.

Пациент помещается в отдельное помещение-кабину; на его голове укрепляется множество датчиков-электродов с отходящими от них проводами. Сначала, для выявления морфологических особенностей мозга, снимается ЭЭГ в состоянии покоя, а затем регистрируется динамика его функционирования: в кабине звучат звуковые сигналы различной интенсивности и частоты, мигает свет, пациенту предлагают задержать дыхание и, наоборот, делать глубокие вдохи и выдохи.

ЭЭГ здорового взрослого человека обнаруживает два основных типа ритмов: альфа-ритм (частота 8-13 Гц, амплитуда 25-30 мкВ) и бета-ритм (частота 14-30 Гц, амплитуда 15-20 мкВ). По нарушениям нормы можно определить тяжесть и локализацию поражения (например, выявить область расположения опухоли или кровоизлияния). Интересно отметить, что когда наступает смерть, электрическая активность мозга сначала очень быстро нарастает, а только затем пропадает. Беспорядочные электрические импульсы наблюдаются иногда в течение часа.

Ещё один важный метод исследования связан с интенсивным электрическим полем, которое создаётся вокруг живого организма вследствие накапливания на коже трибоэлектрического заряда. Этот заряд стекает через роговой слой в глубь тела, причём время релаксации в зависимости от сопротивления эпидермиса может изменится в широких приделах: от 15 минут до 10 секунд. Сопротивление же эпидермиса варьирует от 10 11 до 10 9 Ом\см 2 из-за диффузии воды через микрокапилляры в ходе кожного дыхания, являющегося одним из основных механизмов терморегуляции. Таким образом, динамика электрического поля, окружающего тело, отражает терморегуляционные реакции организма. Кроме того, внешнее электрическое поле из-за вибрации заряженной поверхности тела, вызываемой механическим движением внутренних органов, модулируется ритмами сердца, дыхания, перистальтики желудка и кишечника, микротремора (дрожания) мышц и др.

Таким образом, пространственно-временное распределение электрического поля в окружающем любой биологический объект пространстве в реальном времени отражает функционирование его физиологических систем.

Медицина во многом обязана электрическим явлениям. Лечебное действие электрических явлений на человека по существующим в далёкие времена наблюдениям можно рассматривать как своеобразное стимулирующие и психогенное средство.

Рентген

В наше время нельзя, наверное, представить медицину без рентгеновских лучей. Рентген обнаружил принципиально иной источник излучения, названный им Х-лучами. Позже эти лучи получили название рентгеновские. Сообщение Рентгена вызвало сенсацию. Во всех странах множество лабораторий начали воспроизводить установку Рентгена, повторять и развивать его исследования. Особенный интерес это вызвало у врачей. Физические лаборатории, где создавалась аппаратура, используемая Рентгеном для получения Х-лучей, атаковались врачами, их пациентами, подозревавшими, что в их теле находятся проглоченные иголки, металлические пуговицы и т. д. История медицины не знала до этого столь быстрой практической реализации открытий в области электричества, как это случилось с новым диагностическим средством – рентгеновскими лучами.

Новые достижения электротехники соответственно расширили возможности исследования «животного» электричества. Итальянский физик Маттеучи, применив созданный к тому времени гальванометр, доказал, что при жизнедеятельности мышцы возникает электрический потенциал. Разрезав мы- шцу поперёк волокон, он соединил поперечный разрез её с одним из полюсов гальванометра, а продольную поверхность мышцы – с другим полюсом и получил потенциал в пределах 10 – 80 мВ. Значение потенциала обусловлено видом мышц. По утверждению Маттеучи, «биоток течёт» от продольной поверхности к поперечному разрезу и поперечный разрез является электроотрицательным.

Относительно слабое статическое электрическое поле на человека, по – видимому, не влияет никак. Стоит только вспомнить, что мы живём в электрическом поле Земли, которое примерно равно 100 В/м. Во время грозы это поле увеличивается в десятки раз. В сильном электрическом поле воздух может ионизироваться, что, вообще говоря, вредно для здоровья. Возможны также и электрические разряды, которые могут просто убить

Что касается высокочастотных электромагнитных полей, то они весьма опасны, т. к. вызывают локальный перегрев внутренних органов и частей тела. (Например, СВЧ излучение длиной волны порядка 3-10 см. вредно действует на глаза). В результате воздействия СВЧ излучения на организм возможны серьёзные расстройства здоровья, значительно возрастает риск возникновения онкологических заболеваний.

Александр Леонидович Чижевский

Александр Леонидович Чижевский родился 8 февраля 1897 года в местечке Цехановец бывший Гродненской губернии, где тогда стояла артиллерийская бригада, в которой служил его отец- кадровый военный. В год рождения сына Леонид Васильевич Чижевский имел чин капитана (в 1916 году стал генералом). Будучи широко образованным человеком, он интересовался наукой, изобретательством (изобрёл угломер для стрельбы орудий по невидимой цели с закрытых позиций), ракетным оружием. Мать будущего ученого – человек поэтический и музыкальный – умерла от туберкулёза, когда ему не было ещё и года.

Мальчик получил домашнее начальное образование, которое включало естественнонаучные дисциплины и математику, но наибольший его интерес в раннем возрасте вызвали гуманитарные предметы, которые отвечали его внутренним склонностям: он любил музыку, поэзию, живопись. Книги стали источником его увлечения астрономией, которое подкреплялось «еженощными» наблюдениями звёздного неба с помощью приобретенного для них телескопа. Эти наблюдения вызывали у мальчика восхищения и открывали ему «несказанное великолепие надземного мира». Огромное впечатление производили на него наблюдения Луны и особенно кометы Галлея.

Чижевский изучил атмосферное электричество, а именно биологическое действие аэроионов – заряженных молекул воздуха. Гипотеза о влиянии аэроионов на жизнедеятельность организмов требовала экспериментального подтверждения, и Чижевский устраивает лабораторию дома на средства своей семьи (его родные продали часть вещей и помогали ухаживать за подопытным животными). В 1924 году он стал сотрудником калужской Практической лаборатории по зоопсихологии (а вскоре и членом её учёного совета), где провёл множество наблюдений над животными. В 1929 году в одном из французских журналов была помещена его статья, которая была первой тщательно обоснованной работой о лечебном действии аэроионов при заболевании дыхательных путей животных и человека; в ней впервые использовался термин «аэроионотерапия». В том же году Александр Леонидович был избран членом Тулонской Академии наук.

Надо заметить, что ещё в начальную эпоху развития знаний об электричестве было замечено влияние атмосферных зарядов на растения и животных, но наблюдения эти были неоднозначны, бессистемны и в большинстве случаев не имели практической ценности. Только к началу текущего столетия выяснилось, что часть воздуха (особенно его слои, прилегающие к земной поверхности) находится в ионизированном состоянии (ионизация происходит главным образом под влиянием излучений радиоактивных веществ, содержащихся в земной коре, а также космических лучей).

Ионы воздуха (аэроионы) обладают способностью присоединять к себе несколько нейтральных молекул газа и образовывать устойчивые комплексы из 10-15 молекул, несущие заряд. Такой комплекс частиц называют лёгким ионом. Присоединяя к себе мельчайшие жидкие и твёрдые частицы, взвешенные в воздухе, ионы становятся тяжелыми и обычно малоподвижны. Как лёгкие, так тяжёлые ионы бывают двух полярностей – положительной и отрицательной. Число ионов в воздухе изменяется в зависимости от метеорологических и геофизических условий, времени года или суток и других причин. В деревенском или горном воздухе число лёгких аэроионов обоих знаков в солнечный день доходит до 1000 в1см3 (на некоторых курортах их число поднимается до нескольких тысяч); тяжёлые ионы в чистом воздухе обычно отсутствуют. В воздухе промышленных городов число лёгких ионов падает – иногда до 50-100, а число тяжёлых – возрастает до нескольких тысяч, даже десятков тысяч в 1 см3. Таким образом, электрическое состояние чистого деревенского и загрязнённого городского воздуха очень различно.

Это различие важно для здоровья людей, потому что тяжёлые ионы, или псевдоионы (заряженная пыль, копоть, дым, разные испарения) вредны, а лёгкие ионы, причём отрицательного знака, оказывают благотворное и целебное действие на живые организмы. Ученый, впервые установивший этот факт и подробно изучивший действие аэроионов, - А. Л. Чижевский.

Хотя идея о биологическом действии естественных аэроионов высказывалась многими учёными, но теоретического и экспериментального обоснования она не имела и не нашла практического применения. И только Чижевский показал в своих работах необходимость управления ионизации воздуха в общественных, производственных и жилых помещениях так же, как регулируются его температура и влажность. По мнению самого Чижевского, это произошло потому, что почти все экспериментаторы не придавали значения полярности ионов, а он специально изучил действие на живые организмы положительных и отрицательных аэроионов в отдельности.

Для этих целей он применил источник высокого напряжения с выпрямителем, к которому подключалось металлическое приспособление с остриями, с помощью которых он получал -10 4 аэроионов в 1 см 3, имеющих только имеющих только отрицательный и только положительный заряд. Опыты позволили ему установить, что отрицательные ионы воздуха действуют на организм благотворно, а положительные чаще всего оказывают неблагоприятное влияние (например, подавляют аппетит и рост крыс). В дальнейшем учёный провёл многочисленные серии экспериментов с различными объектами (растениями, домашними животными и т. д), которые подтвердили его вывод.

Он выяснил к тому же, как действует на животных воздух, лишенный аэроионов, поставив такой эксперимент: в герметизированную стеклянную камеру, куда помещались испытуемые животные, воздух подавался через трубку, в которую вкладывался рыхлый ватный тампон (его толщина определялась заранее так, чтобы он поглощал все аэроионы, содержащиеся в воздухе, не изменяя его химического состава); контрольная группа животных находилась в точно такой же камере, с таким же рационом питания и режимом жизни, но воздух поступал к ним через свободную от ватного тампона трубку. Сравнительно через небольшой срок испытуемые животные заболевал, а затем умирали-Чижевский установил, что лишенные ионов воздух опасен для организма.

Чтобы убедится в том, что аэроионы – необходимый для жизни фактор, ученый, пользуясь теми же установками, создавал искусственную ионизацию уже профильтрованного воздуха внутри камеры: за слоем ваты он впаял в трубку тонкое остриё, которое соединялось с отрицательным полюсом источника высокого напряжения: животные в этом случае не заболевали и росли даже лучше, чем контрольные.

В 1931 г. вышло постановление Совета народных Комисаров СССР о научных работах А. Л Чижевского в этой области; его наградили премиями Совнаркома и Наркомзема СССР; одновременно была учреждена Центральная научно-исследовательская лаборатория ионификации с целым рядом филиалов, директором которой он был назначен. В ЦНИЛИ были проведены опыты с тысячами биологических объектов – кроликами, овцами, свиньями, рогатым скотом, птицами, семенами различных растений и самими растениями. Во всех случаях установлено благоприятное воздействие отрицательных аэроионов, стимулирующее рост и развитие организмов.

Через несколько лет эти исследования получили подтверждения в трудах отечественных и зарубежных ученых. Подтвердилась и эффективность использования искусственной ионизации воздуха в медицине для профилактических оздоровительных целей.

Электромагнитные поля и человеческий мозг

Учёные Объединённого института физики Земли им. О. Ю. Шмидта РАН исследовали влияние физических полей различной природы (в основном электромагнитных) на поведенческие реакции живых организмов, в том числе людей. Слабые (фоновые) атмосферное электрическое и геомагнитное поля, постоянно действующие на земные существа, изменчивы: они испытывают годовые, суточные и более быстрые колебания. Но их наличие и вариации столь привычны, что, как правило, не замечаются, хотя параметры колебаний природных электрического и магнитного полей неоднозначны и имеют широкий диапазон значений. Например, амплитуда (в данном случае отклонение от среднего значения) напряженности электромагнитного поля особенно велика на частоте от 1 Гц до 20 кГц, причем наблюдаются резонансы (резкие её изменения) на частотах 8-10, 16-17, 20-24 Гц.

Примечательно, что эти частоты близки к частотам основных ритмов человеческого мозга, также инфразвука, который, по мнению многих ученых, воздействует на подсознание человека (этим, в частности, объясняют случаи безотчётного ужаса, охватывающего иногда моряков, так как одним из природных источников инфразвука служит волнение на море). Многочисленными исследованиями установлено, что это совпадение частот играет важную роль: изменения с такой частотой электрических и магнитных полей оказывают неблагоприятное действие на человека.

В последние годы ученые выяснили, каковы должны быть отклонения физических полей от стабильного состояния, чтобы они ощущались так же, как, например, магнитные бури некоторыми людьми. При этом обнаружился удивительный факт: физические характеристики природных «вредных» полей отличаются от «нормальных» почти неуловимо. Однако проявление очень малых изменений сразу нескольких даже слабых полей (электрического) может оказывать заметное влияние, если их действия согласуются с ритмам физиологических процессов.

Чудеса в костном мозге

Еще в начале 50-х годов доктор Маркус Сингер из Кливлендского университета показал, что нервы должны составлять, по крайней мере, одну треть общей массы тканей в спонтанно регенерирующихся конечностях. Транспортируя дополнительный нерв на ампутированную лапу лягушки, он вырастил около 1 см. новой ткани. Но способна ли нервная система обеспечить необходимый электрический сигнал для «запуска» бластемы? В поисках ответа Беккер стал измерять электрические напряжения на «внешней» стороне самих нервных волокон. Согласно традиционным представлениям существует только один механизм передачи электрического сигнала – короткие импульсы, «бегущие» по нервному волокну. Беккер убедился, что здесь присутствует и другой канал – околонервные клетки, по которым непрерывно идёт ток. Это ток, пронизывая плотную сеть периферических нервов, формирует «узоры» поверхностного поля. Как только в результате ранения оно деформируется, околонервная ткань начинает «выдавать» электричество, черпая его в недрах организма; и если «нервная» масса в пораженной области достаточно велика, генерируемые напряжения смогут инициировать регенерацию. В противном случае формируются рубцы.

Срастание костной ткани – один из примеров человеческой способности к спонтанной регенерации, хотя здесь «работают» не только нервы. При сгибе или поломке кости сами электрически поляризуются. Их «хрустальная», кристаллическая структура трансформирует механическое напряжение в электрическую энергию. И вот эта энергия вмешивается в клеточно – восстановительный механизм, помогая, прежде всего образованию бластемы на поврежденной части. К сожалению, иногда что-то случается с этим механизмом, и срастание не происходит. И тогда только электричество может помочь успешному лечению.

Исследования на животных подтвердили эту мысль, начались работы на людях. Пропуская электрический ток прямо через перелом, доктор Карл Бригтон и его коллеги из Пенсильванского университета вылечили несколько тяжёлых пациентов, которым грозила ампутация: в поврежденные конечности попала инфекция. Многие клиники США переняли опыт. Электричество стало предпочтительным средством для лечения труднозаживающих переломов. Появилось несколько методов электротерапии. Однако Бассет предпочитает электрические «витки» - соленоид – электродам, их не надо вживлять. Его процедуры успешны в 85% случаев, и он надеется улучшить результаты до 95 – 98 %.

Биоэнергетика

В 50-х годах Роберт О. Беккер, используя электронную аппаратуру, приступил к изучению «электрической картины ранений». Выяснилось следующие. Как только возникает рана, повреждённые клетки начинают вырабатывать электрический ток. Измеряя напряжение, генерируемое поврежденными частями тела, Беккер открыл ключ к оному из самых странных парадоксов природы, формулируемому так: почему низкоорганизованная саламандра может регенерировать одну треть полной массы тела, а человек едва способен восстановить даже единственный повреждённый орган? Да потому, что только токи в несколько биллионных долей ампера способны вернуть к забытому эволюционному механизму.

Руководствуясь этим соображением, Беккер с помощью имплантированных электродов стимулировал регенерацию ампутированной передней лапы крысы до коленного сустава. Выросшая часть лапы, хотя и не была совершенной, обладала многотканевой организацией, включая новые мускулы, кости, хрящи, и нервы

Более 20 лет Беккер настойчиво работал над неортодоксальной теорией, согласно которой высшие животные, будь то лягушка, крыса или человек, не способны к регенерации естественным путём, поскольку их организмы вырабатывают недостаточное количество электричества для «запуска регенерационного механизма», но если создать клеткам соответствующее «электрическое окружение», то они, подобно клеткам саламандры, могут трансформироваться в новые ткани. Пора традиционной медицине понять, что регенерация способна делать чудеса. Способ применим ко всем тканям: восстановимы мозг, периферические нервные окончания, пальцы, конечности, органы. «Уж если мы смогли выявить механизмы, стимулирующие регенерацию у саламандры, то ничто не мешает нам проделать то же самое и с человеком», - говорит Беккер.

Сейчас в мире проводятся множество операций, и здесь тоже не обошлось без электричества. Пожалуй, каждый человек в той или иной степени подвергался наркозу. К местной и общей анестезии прибегают хирурги при полостных и не полостных операциях. Последствие наркоза, конечно, болезненно, однако во многих случаях операция спасает жизнь. А это главное.

Огромная заслуга в создании биоэлектрического наркоза Центрального научно-исследовательского института «Электроника».

Есть такая наука, как реаниматология она достигла очень много. Пока сохраняется электрическая активность сердца, борьба за жизнь умирающего продолжается, и во многих случаях человека удаётся спасти.

У человека тряслась склонная на бок голова, тряслись руки. Лекарства помогали мало. Усадив больного в кресло, врач наложил на его виски небольшие металлические посеребренные пластинки – электроды, закрепив их обычным пластарым. Через электроды в тело больного прошёл электрический ток. Под воздействием тока уменьшилась тряска головы и рук. А в глазах зажглась надежда на выздоровление.

Электричество в телах животных

На примере лягушки покажем, как можно создать ток в теле лягушки. Гальвани де лал следующий опыт. Соединив две проволоки из различных металлов, он концом одной из них касался лапки свежепрепарированной лягушки, а концом другой – поясничных нервов; при этом мускулы лапки судорожно сокращались. Это можно объяснить тем, что Дао металла и жидкость лапки составляют гальванический элемент. Ток, возникающий при замыкании цепи, раздражает нервные окончания лягушки.

В теле птицы тоже есть электричество. Тело сидящей на проводе птицы представляет собой ответвление цепи, включённое параллельно участку проводника между лапками птицы. При параллельном соединении двух участков цепи величина токов в них обратно пропорциональна сопротивлению. Сопротивление тела птицы огромно по сравнению с сопротивлением небольшой длины проводника, поэтому величина тока в теле птицы ничтожна и безвредна, Следует добавить ещё, что разность потенциалов на участке между ногами птицы мала.

Птицы чаще всего гибнут в тех случаях, когда они, сидят на проводе линии электропередачи, касаются столба крылом, хвостом или клювом, то есть соединяются с землёй.

Ещё одно интересное явление. Когда включают ток, птицы слетают с проводов. Это объясняется тем, что при включении высокого напряжения на перьях птиц возникает статический электрический заряд, из-за наличия которого перья птицы расходятся, как кисти бумажного султана, соединённого с электрической машиной. Это действие статического заряда и побуждает птицу слететь с провода.

Некоторые рыбы для самообороны используют ток. Этих рыб называют живыми электростанциями. Самыми известными электрическими рыбами являются электрический угорь, электрический скат и электрический сом. У этих рыб имеются специальные органы для накопления электрической энергии. Небольшое напряжение, возникающие обычных мышечных волокнах, суммируются здесь благодаря последовательному включению множества отдельных элементов, которые нервами, как проводниками, соединены в длинные батареи. Так у электрического угря, обитающего в водах тропической Америки, насчитывается до 8 тысяч пластинок, отдельных одна от другой студенистым веществом. К каждой пластинке подходит нерв, идущий от спинного мозга. С точки зрения физики эти приспособления представляют своего рода систему конденсаторов большой ёмкости. Угорь, накапливая электрическую энергию в этих конденсаторах и по своему усмотрению разряжая её через тело, прикасающееся к нему, производит электрические удары, чрезвычайно чувствительные для человека и смертельные для мелких животных. У крупного, долго не разряжающегося угря напряжение электрического тока в момент удара может достигать 800 В. Обычно же оно несколько меньше.

Среди других электрических рыб особенно выделяется скат Торпедо, который встречается в Атлантическом, Индийском и Тихом океанах. Размеры торпеды достигают двух метров, а его электрические органы состоят из нескольких сот пластинок. Торпедо способен в течение 10-16 секунд давать до 150 разрядов в секунду, по 80В каждый. Электрические органы крупных Торпедо развивают напряжение до 220В.

У электрического сома, дающего разряды до 360В, электрический орган располагается тонким слоем под кожей по всему туловищу.

Характерная особенность рыб, имеющих электрические органы,- их малая восприимчивость к действию электрического тока. Так, например, электрической угорь без вреда для себя переносит напряжение 220В.

Ещё одна из рыб, которая связанна с электричеством - это морская минога. Она в возбуждённом состоянии излучает короткие электрические импульсы. Каждый такой импульс представляет собой электрический ток, который из одной части тела миноги через воду попадает в другую. Минога воспринимает любые изменения посланного ею импульса. Обычно такое изменение означает, что не далее чем сантиметрах в десяти от головы находится какой-то объект, отличающийся по своей электрической проводимости от воды. Часто этот объект оказывается рыбой, к которой минога тут же присасывается бесчелюстным ртом и начинает «просверливать» отверстие, добираясь до крови.

Откуда рыбы берут электричество?

Клеточные мембраны, способные «сортировать» положительные и отрицательные ионы вне и внутри клетки, являются «организаторами» разницы потенциалов. В зависимости от состояния клетки её мембраны обладают разной электропроводностью. Нет возбуждения, начинается сортировка, возникает разность потенциалов. Возбудилась клетка, повысилась проводимость, ионы с разных сторон мембраны, положительные и отрицательные, устремляются навстречу друг к другу, в результате чего устанавливается нулевой потенциал. Другими словами, клетка постоянно генерирует электрический ток. Биоэлектричество, перенося определённую информацию, тем самым координирует сложнейшие процессы жизнедеятельности.

Некоторые рыбы не имеющие специальных электрических органов, тоже излучают разряды. Но они малы и маломощны.

«Рыбьи» сигналы легко регистрируются. Поскольку электромагнитное, его электрический компонент улавливается электродами, а магнитный – специальными антеннами. Магнитный компонент легко преодолевает экраны, непроницаемые для обычного электрического поля. Поэтому сигналы рыб можно ловить даже в воздухе над аквариумом, используя катушки индуктивности, даже тогда, когда аквариум, где находятся рыбы, окружён сеткой Фарадея.

Рыбы не только генерируют, но и воспринимают электрические сигналы. У них для этого есть специальные органы. Подавая сигналы, рыбы употребляют порой довольно сложную систему кодирования - низкочастотные колебания, импульсы различной частоты, длительности, напряжения. Язык этот только-только начинает расшифровываться.

Было известно, что есть тела, которые являются хорошими проводниками для электрической жидкости, а другие являются диэлектриками. Бенджамин Франклин предположил, что многие примеры, как притяжения, так и отталкивания заряженных тел можно объяснить на основе представлений об избытке или недостатке электрической жидкости. Когда электрод обладает избытком электрической жидкости, его считают положительным и обозначают знаком плюс, и наоборот.

Франклин описал электрические заряды в терминах плюса и минуса, поскольку два тела, которые первоначально были электрически нейтральными, можно сделать заряженными, потерев друг о друга. Заряд на одном теле совершенно отличен от заряда на другом, так как, хотя эти тела притягиваются друг к другу, каждое из них будет отталкивать одноименно заряженное тело. Более ого, эти два тела можно привести в соприкосновение, так что они становятся снова нейтральными, или с нулевым зарядом

Франклин произвольно назвал «отрицательным» зарядом, который появляется на твёрдом каучуке, если его потереть о шерсть или волосы. Соответственно шерсть или волосы заряжаются положительно.

Оценка степени электризации

При трении многих тел о мех наблюдается электризация. Я задалась целью выяснить, чей мех электризуется больше. Предварительно просушила шерсть котёнка и собаки (электризация существенно ослабляется при большой влажности). В ходе опытов приходилось следить за тем, чтобы котёнок – Маркиз не успел вылизать свою шкурку и тем самым нарушить условия эксперимента. Затем натёрла расчёску по очереди о шерсть каждого животного одинаковое количество раз, подносила её к гильзе из фольги, подвешенной на нити, и измеряла угол отклонения от вертикали. (таб.)

Животное Угол отклонения шерсти Шерсть

Котенок Мягкая, бархатистая

Собака Длинная, средней жесткости

На основании результатов эксперимента можно высказать следующую гипотезу: чем жестче шерсть, тем хуже способность электризовать другие тела. Возможно, кошачья шерсть обладает лучшими свойствами электризовать, нежели собачья. Однако для проверки этих утверждений требуется дальнейшее исследование с большим числом опытов. Приятно, что в этой области чемпионом оказался котенок, который по массе, скорости, силе тяги и объему никак не мог превзойти своего соперника.

Хорошо ли когда электролизуется волос?

Для того, чтобы выяснить, как электричество влияет на человека, я провела опыт.

Взяла две расчески деревянную и пластмассовую. Расчесав волосы (сухие) расческами, выяснилось, что после этого волосы притягиваются к расчёски. Но лучше они притягиваются к пластмассовой расческе, а не к деревянной. Это можно объяснить тем, что дерево хуже электризуется. Перед натиранием расчёски о волосы количество положительных и отрицательных зарядов на волосах и расчёске одно и тоже. После натирания расчески о волосы на последних появляется положительный заряд, а на расчёске - отрицательный.

Когда электризуются волосы это не очень удобно и вообще не естественно, поэтому лучше пользоваться деревянными расчёсками, это будет лучше для ваших волос и для вас.