1.2. Электрические явления в живом организме

1.2.1. Электрические сигналы

С точки зрения биологии, живой организм — сложная система, в которой в течение всего периода жизни осуществляется преобразование энергии. Образуемая внутри организма энергия за счет внутренних процессов расходуется на поддержание жизнедеятельности организма. Основные элементы этого энергетического процесса находятся в элементарной клетке организма. Процесс преобразования энергии в организме регулируется большим количеством специальных клеточных структур, обеспечивающих рациональное расходование внутренних ресурсов. Понятие “рациональность” тесно связано с законом гомеостазиса, обеспечивающим поддержание существенных параметров организма в строго допустимой области значений. Так например, температура тела человека в нормальном состоянии сохраняет значение не более 37  С и не менее 34  С. Для получения информации о функциональном состоянии организма очень часто проводится регистрация биологических сигналов. Именно на основании такого информационного сигнала в дальнейшем проводится формирование диагноза.

Энергетика процессов, протекающих внутри организма, тесно взаимосвязана с информационным сигналом, который может быть зарегистрирован специальным датчиком. Формально можно говорить о “бесконтактном” и “контактном” методах регистрации сигнала. В первом случае используются такие физические принципы регистрации, которые обеспечивают формирование информационного сигнала без непосредственного контакта с изучаемым объектом. Во втором случае обязательным условием получения информационного сигнала является необходимость размещения регистрирующего датчика на поверхности исследуемого объекта. В обоих случаях рассматривается задача о функциональном состоянии организма в зависимости от динамики многообразных внутренних энергетических процессов. Здесь энергия и информация оказываются тесно связанными с пониманием жизнедеятельности. Подчеркнем важность этой темы и обратимся к рассмотрению технических — инженерных — вопросов.

Для получения подобных знаний о поведении важнейших показателей организма в различных условиях окружающей среды требуется создавать специальные датчики, что является областью интересов специалиста по созданию медицинской техники. Это очень большое и широкое направление в области разработки и применения технических устройств, которые предназначены для биологических и медицинских исследований, а также использования в практической медицине. Совместная работа технологов, биологов и врачей, направленная на приобретение фундаментальных знаний о физических характеристиках и функционировании биологических систем, реализуется в процессе создания новых, более совершенных аппаратно-программных комплексов и методов анализа получаемой информации.

Во многих практических задачах биомедицинской практики требуется проводить проверку научных, инженерных и медицинских результатов. Такие задачи очень часто требуется решать в хорошем приближении к реальным условиям, которые в жизни окружают человека. Получение достоверных данных о состоянии организма человека в течение времени, когда выполняется определенная работа, в структуре сложной технической системы представляется одним из основных условий надежности всего комплекса.

Электрические процессы, происходящие в живом организме, непосредственно связаны с функциональным состоянием. Эти процессы лежат в основе многих физиологических и поведенческих реакций. При регистрации биологических потенциалов с помощью современных датчиков и затем использовании информационных технологий анализа данных на удаленных центрах реализуется одна из основных задач телеметрического контроля состояния организма человека.

Однако такое представление о возможности телеметрического контроля на основе регистрации биологического сигнала, сформированного в результате действия сложных биохимических процессов внутри организма, появилось не сразу. Первые представления о наличии электрических явлений в живом организме зародились в 18 в.

Систематические электрохимические исследования стало возможным проводить лишь после создания постоянного достаточно мощного источника электрического тока. Такой источник появился на рубеже 18–19 вв. в результате работ Л. Гальвани и А. Вольты. Занимаясь исследованием физиологических функций лягушки, Л. Гальвани непреднамеренно создал электрохимическую цепь, состоящую из двух разных металлов и мышцы препарированной лапки лягушки. Когда к лапке, закрепленной с помощью медного держателя, прикасались железной проволочкой, также соединенной с держателем, мышца сокращалась.

Аналогичные сокращения происходили и под действием электрического разряда. Л. Гальвани объяснил данный феномен существованием “животного электричества”. Иное толкование этим опытам дал А. Вольта, посчитавший, что электричество возникает в месте соприкосновения двух металлов, а сокращение мышцы лягушки — это результат прохождения через нее электрического тока. Позже Л. Гальвани показал, что мышцы лягушки сокращаются и в том случае, когда никаким металлическим предметом к ним не прикасаются. Это привело к выводу, что процессы, протекающие в нервной системе, имеют электрическую природу и что сокращение мышцы происходит в ответ на электрический сигнал, проходящий по нерву. Сигнал может возникать и произвольно; например, при подсоединении к нерву источника электрического тока последний генерирует нервный сигнал, запускающий мышечное сокращение. Сегодня эти эффекты значительно дополнены результатами многих поколений ученых, но в то время это были достаточно необычные проявления электрических феноменов. Рассмотрим краткую характеристику этих феноменов.

При достаточно большой силе тока, подводимого к ткани с помощью проводников или бесконтактным способом, выделяется тепло. Сегодня нам хорошо известно, что на этом принципе основана работа микроволновой печи. Генерация тепла в тканях под действием электричества используется в лечебных целях. В настоящее время такая процедура называется диатермия.

Электрические сигналы регулируют работу сердца. Если через тело человека проходит электрический ток от внешнего источника, он нарушает сердечную деятельность и может вызвать остановку сердца и смерть. Электрический сигнал можно измерить, подведя проводники к любым двум точкам тела.

В начале 20 в. было окончательно установлено, что на поверхности тела человека можно зарегистрировать электрические сигналы, которые в современной терминологии носят названия, соответствующие методу исследования. Интересно взглянуть на эту классификацию сигналов с современных позиций. Итак, рассмотрим эту классификацию.

 

1. Электроэнцефалография регистрирует относительно слабый, быстро изменяющийся сигнал в головном мозге. Записываемая при этом кривая — электроэнцефалограмма (ЭЭГ) — используется в исследовательских и диагностических целях. Какова конкретная физиологическая роль этого сигнала в норме — неизвестно.

 

2. Электрокардиография регистрирует биоэлектрический потенциал работающего сердца; электрический сигнал в этом случае примерно в 100 раз мощнее. Электрокардиограмма (ЭКГ) широко используется для диагностики болезней сердца.

 

3. Сигнал третьего вида, поверхностный электрический потенциал, сравним по величине с генерируемым сердечной мышцей, но меняется медленнее. Его происхождение и роль неизвестны.

Это констатация фактов того времени. Да, вот такая неутешительная картина фактов, свидетельствующая о том, что биоэлектричество реально существует, но многое еще не понятно. Примерно до начала 1940-х гг. термин “биоэлектричество” использовали в тех случаях, когда речь шла о нейрофизиологических исследованиях, об измерениях описанных выше электрических сигналов у человека или (главным образом в историческом контексте) о применении электричества в терапии.

Спор Л. Гальвани и А. Вольта продолжался достаточно долго и способствовал зарождению новых взглядов на живую Природу. Именно в то время было подмечено, что многие электрические сигналы — биологические сигналы — имеют периодический характер. По прошествии многих лет это станет одним из аргументов в пользу представления биологической системы — организма — как динамической неравновесной системы.

По мнению А. Вольта, ток возникал и в том случае, когда между двумя металлическими дисками, например цинковым и медным, помещали пропитанный соленой водой губчатый материал (сукно или бумагу) и замыкали цепь. Последовательно соединив 15–20 таких “элементов”, А. Вольта в 1800 г. создал первый химический источник тока — “вольтов столб”.

Влияние электричества на химические системы сразу заинтересовало многих ученых. Уже в 1800 г. У. Николсон и А. Карлейль сообщили, что вода разлагается на водород и кислород, когда через нее пропускают электрический ток с помощью платиновой и золотой проволочек, соединенных с “вольтовым столбом”. Позже подобную реакцию обнаружат и в живом организме. Такой процесс получит название “энергетического” генератора. Получение более полного представления о такой реакции в живом организме станет возможным только после других физических открытий — электрона и протона, которые относятся к другому столетию.

Наиболее важными из ранних электрохимических исследований были работы английского химика Х. Дэви. В 1807 г. он выделил элемент калий, пропуская ток через слегка увлажненный твердый гидроксид калия. Источником напряжения служила батарея из 100 гальванических элементов. Аналогичным образом был получен металлический натрий. Позже Х. Дэви, используя ртутный электрод, выделил с помощью электролиза магний, кальций, стронций и барий.

Ассистент Дэви М. Фарадей исследовал связь между количеством электричества (произведением силы тока на время), протекающего через границу раздела электрод–раствор, и вызванными им химическими изменениями. Был создан прибор (известный теперь как газовый кулонометр) для измерения количества электричества по объему водорода и кислорода, которые выделялись в электролитической ячейке. Было показано (1833 г.), что количество электричества, необходимое для получения данного количества вещества, не зависит от размера электродов, расстояния между ними и числа пластин в питающей ячейку батарее. Кроме того, М. Фарадей обнаружил, что количество вещества, выделяющееся при электролизе, прямо пропорционально его химическому эквиваленту и количеству электричества, прошедшему через электролит. Химический эквивалент — это число граммов элемента или соединения, которое взаимодействует с одним молем атомов (1,0078 г) водорода или заменяет его в соединениях.

Эти два фундаментальных положения получили название законов М. Фарадея. Вместе со своим другом У. Уэвеллом, специалистом по классической филологии, Фарадей также разработал новую терминологию в электрохимии. Он назвал проводники, погруженные в раствор, электродами (ранее их называли полюсами). В научной практике появились понятия:

 

• электролиз — химические изменения, связанные с прохождением тока,

 

• электролит — проводящая жидкость в электрохимических ячейках,

 

• анод — электрод, на котором происходит реакция окисления,

 

• катод — электрод, на котором происходит реакция восстановления.

Носители заряда в жидкостях он назвал ионами (от греческого — “странник”, “скиталец”). Причем ионы, движущиеся к аноду (положительному электроду), получили название “анионов”, а к катоду — “катионов”. Исследования М. Фарадея по электромагнитной индукции привели к созданию электрических генераторов, что позволило осуществлять электрохимические процессы в промышленных масштабах.