1.2.2. Электрохимические процессы в живой ткани

Способность растворов пропускать электрический ток М. Фарадей объяснял присутствием в них ионов, однако и он сам, и другие ученые, такие как И. Гитторф и Ф. Кольрауш, считали, что ионы появляются под действием тока. В 1884 г. С. Аррениус высказал предположение, что на самом деле ионы образуются просто при растворении соли в воде. В последующем это предположение было полностью подтверждено. Работы С. Аррениуса, Я. Вант-Гоффа и В. Оствальда явились важной вехой в развитии теории электролитов и представлений о физико-химических свойствах растворов и их термодинамике. Соответствие теории и экспериментальных данных по ионной проводимости и равновесии в растворе стало более полным после того, как в 1923 г. П. Дебай и Э. Хюккель учли дальние электростатические взаимодействия между ионами. Понятие “равновесия”, используемое в классической химии, позже появится и в теории биологических систем.

Серьезный вклад в электрохимическую термодинамику и конкретно в выяснение природы электрического потенциала (напряжения) в электрохимической ячейке и баланса между электрической, химической и тепловой энергией внесли Дж. Гиббс и В. Нернст. Электрохимический потенциал определяется химической энергией процессов, протекающих в ячейке, но зависит также от их скорости (кинетики). Моделированием кинетических процессов на электродах занимались Ю. Тафель (1905 г.), Дж. Батлер (1924 г.), М. Фольмер (1930 г.), А.Н. Фрумкин (1930–1933 гг.).

Надо отметить, что понятия и законы электрохимии в значительной мере влияют на принципы построения первичных формирователей биологического сигнала — электродов. Это касается не только вопросов, связанных с выбором материала электродов, позволяющих фиксировать изменение биологического сигнала, но принципов построения электронных схем регистраторов. Знание основ электрохимии оказывается чрезвычайно полезным при создании телеметрических датчиков. Рассмотрим некоторые вопросы из этой области знаний.

Электрохимия — раздел физической химии, изучающий химические процессы, которые сопровождаются появлением электрического тока или, наоборот, возникают под действием электрического тока. Предметом электрохимических исследований также являются электролиты и устанавливающиеся в них равновесия.

Многие химические реакции протекают лишь при подводе энергии извне. Часто их проводят в электролитических ячейках (электролизерах) на электродах, соединенных с внешним источником тока. Изучение этих реакций дает информацию о природе и свойствах различных веществ, а также позволяет получать с помощью электросинтеза новые химические соединения. Электрохимические процессы широко применяются в промышленности. В качестве примера можно привести производство хлора и алюминия, гальваностегию и электрическую экстракцию. Гальванические элементы, преобразующие химическую энергию в электрическую, составляют основу источников тока — батарей и аккумуляторов, а также топливных элементов. Электрохимия изучает и другие электрические явления: поведение ионов в растворах электролитов и прохождение тока через такие растворы; разделение ионов в электрическом поле (электрофорез); коррозию и пассивацию металлов; электрические эффекты в биологических системах (биоэлектрохимия); фотоэлектрохимические процессы (влияние света на электрохимические реакции в ячейках).

В современном понимании все проявления жизнедеятельности организма зависят от сложных последовательностей химических реакций, в основе которых лежит, в частности, явление электричества. Иногда соответствующие процессы можно изучать, не рассматривая эти силы в явном виде.

Такой подход вполне применим при исследовании, например, регуляции экспрессии генов или механизма иммунного ответа. Он гораздо менее успешен, когда речь идет о памяти, научении и регуляции регенеративных процессов. Трудности, с которыми сталкиваются исследователи, когда пытаются объяснить некоторые биологические явления — включая саму жизнь — исходя исключительно из биохимических концепций, заставляют их обратиться к биоэлектрическим факторам. На эту проблему впервые обратил внимание в 1941 г. венгерский биохимик А. Сент-Дьёрдьи. Он пришел к выводу, что феномен жизни нельзя должным образом объяснить просто наличием каких-то химических веществ: необходимо, чтобы эти вещества находились в определенном электрическом состоянии, а также были представлены в определенном соотношении.

Согласно этой точке зрения, живые и мертвые животные различаются по своему биоэлектрическому, а не биохимическому статусу. Эти идеи привели к возрождению интереса к биоэлектричеству. Одним из первых результатов новых исследований в этой области стало обнаружение пьезоэлектрических свойств костной ткани. Данный эффект был обнаружен с использованием специальной конструкции датчика. Генерация в костной ткани электричества при механическом воздействии, например, при нагрузке во время ходьбы, это был феномен, который и сегодня у многих ученых вызывает желание лично провести подобное исследование: создать свой датчик, сделать натурные эксперименты. Чуть позже мы рассмотрим значение этой темы в области протезирования, создания механических элементов скелета.

В процессе кропотливой работы ученых стало известно, что если костная ткань не испытывает регулярной механической нагрузки, то ее механические свойства утрачиваются. Было высказано предположение, что пьезоэлектричество — это “передаточное звено” между внешним воздействием (нагрузкой) и внутренними процессами (образованием новой костной ткани). В дальнейшем полученные экспериментальные данные подтвердили эту идею.

В ограниченном перечне тем, связанных электрическими явлениями в живом организме, невозможно указать всей плеяды великолепных идей, некоторые из которых прочно вошли в наш современный мир. Так, одно из направлений биоэлектрических исследований занимается изучением биологического эффекта высоковольтных линий электропередачи. Эти системы, а также радио- и телепередающие и радарные установки создают вокруг себя электромагнитное поле, которое может оказывать влияние на людей, постоянно живущих или работающих в нем. Интерес к этой проблеме возник в связи с публикацией данных об изменении роста и развития, а также эндокринных и нервных нарушениях у людей и животных, подвергавшихся действию электромагнитных полей в лабораторных условиях.

В начале 1980-х гг. появились данные о связи между длительным воздействием электромагнитных полей и развитием злокачественных опухолей, частотой самоубийств и возникновением других патологий. Природные электрические и магнитные факторы оказывают несомненное влияние на жизненный цикл различных организмов. Бактерии, насекомые, птицы и, возможно, киты воспринимают магнитное поле Земли и используют эту способность для ориентации и навигации в поисках пищи и во время миграций.