Электрическая проводимость жидкостей и тканей организма

Размещено на http://www.allbest.ru/

Московская Государственная Академия Физической Культуры

Кафедра «Тренировка в избранном виде спорта»

Реферат

По дисциплине: химия

Тема: «Электрическая проводимость жидкостей и тканей организма»

Работа студента

Радченко Николая Артёмовича

Биологические ткани и органы довольно разнородны по электрическим свойствам. Органические вещества (белки, жиры, углеводы и др.), из которых состоят плотные ткани организма, являются диэлектриками. Но все ткани и клетки в организме содержат жидкости или омываются ими (кровь, лимфа, различные тканевые жидкости). В состав этих жидкостей кроме органических коллоидов входят также растворы электролитов и поэтому они являются довольно хорошими проводниками. В связи с этим фактом возникает множество вопросов: откуда в теле человека возникает электрический ток, как электричество взаимодействует с разными тканями и жидкостями организмов и как мы можем применять ток на благо человеческого организма.

1. Между электричеством нашего организм, и электричеством, которое обеспечивает наши дома, есть два фундаментальных различия. Электричество из розетки представляет собой поток электронов. В отличие от этого практически все токи в живых существах являются потоками ионов -- атомов, имеющих электрический заряд. Токи в нашем организме связаны с пятью типами частиц: четырьмя положительными ионами -- натрия, калия, кальция и водорода -- и одним отрицательным хлорид-аниона.

Любая клетка животного организма является электрическим конденсатором и генератором. Потенциал покоя каждой клетки равен примерно -60мВ - -90мВ, это связано с избирательной проницаемостью мембраны клеток к ионам, из-за избытка калия в клетке его положительно заряженные ионы остаются за мембраной, а отрицательно заряженные катионы проходят во внутрь клетки. Потенциал покоя клетки нужен ей по трём причинам:

Электрический потенциал покоя помогает ей транспортировать молекулы через мембрану;

Электрический потенциал упорядочивает положение внутримембранных и околомембранных молекул;

Потенциал покоя - необходим для управления возбуждением клетки.

При возбуждении (с помощью нейромедиаторов нервных клеток) клетки появляется кратковременная проницаемость мембраны к положительно заряженным ионам в это время происходит резкое изменение потенциала на положительный (это потенциал действия), затем клетка «перезаряжается» обратно.

Потенциал действия - кратковременные сдвиг мембранного потенциала, сопровождающийся электрической перезарядкой мембраны, происходящий только при возбуждении клетки. Потенциалы действия - универсальные электрические сигналы - передатчики команд от нейрона к нейрону и к другим клеткам Электрические импульсы - то есть ПД - передаются от клетки к клетке с помощью химических синапсов.

2. Электрические импульсы ПД основа активности всех возбудительных систем. Потенциалы действия используется в нервной системе, в мышечной системе, в сердце и кровеносных сосудах, в железах.

Функции в сердечно-сосудистой системе:

в качестве воздуховодов мы имеем сосуды, по которым циркулирует кровь, состоящая на 92% из воды и содержащая различные элементы, а сами стенки сосудов и элементы крови (преимущественно) имеют отрицательный электрический заряд. Это позволяет элементам крови отталкиваться не только друг от друга, но и от отрицательно заряженной стенки сосуда, создавая деионизированный слой. Этот слой не содержит отрицательно заряженных частиц и обеспечивает электрораспор, тонус сосудов и «смазку», которая позволяет снижать трение и улучшать кровоток. В данном случае речь идет не только об отрицательных ионах (более известных как - электролиты крови), но и о частицах крови, имеющих дополнительный электрический заряд в виде электрона или нейтральных частиц, но имеющих разделенную по их объему электрическую поляризацию (внутри положительный, а снаружи отрицательный электрический заряд в целом электрически нейтральной частицы).

Функции в дыхательной системе:

При возрастании нагрузки на дыхательную систему появляется такое явление - электрораспор альвеол. Переход в кровь нейтрального кислорода и выделение положительно заряженного углекислого газа повышает объемный положительный заряд внутри альвеол. Это приводит к увеличению кулоновских сил действующих на положительно заряженные внутренние стенки альвеол (особенно в начальный момент расширения), что приводит, совместно с увеличением парциального давления углекислого газа (закон Дальтона), к повышению давления внутри альвеол и облегчает выдох.

Электрическая «смазка»:

В организме есть трущиеся поверхности, где низкий коэффициент трения обеспечивается различными веществами, являющимися природными смазками. Исходя из предположения о преобладании одноименных электрических зарядов на соприкасающихся поверхностях органов или тканей, можно предположить, что существует еще и «электрическая» смазка. А именно разделение трущихся поверхностей при взаимоотталкивании одноименных электрических зарядов. Сила отталкивания зарядов прямо пропорциональна их произведению и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Т.е. чем больше количественный заряд соприкасающихся поверхностей, чем ближе расстояние между ними, тем сильнее сила взаимоотталкивания и тем эффективней «электрическая» смазка.

3. Живой организм с точки зрения электрохимии можно рассматривать как систему, состоящую из клеток и межклеточного пространства, заполненных растворами электролитов. В общую электропроводимость вносят вклад неорганические ионы: калия, натрия, хлора, карбонатов, фосфатов; а также ионы органических кислот, белков и других органических соединений. Большое влияние на электрическую проводимость биологических сред оказывают меж- и внутриклеточные мембраны, особенно при использовании постоянного тока. В этом случае на мембранах под действием постоянного электрического поля за счет перераспределения ионов возникает нарастающая до некоторого предела электродвижущая сила (ЭДС) противоположного направления, что уменьшает электрическую проводимость сиcтемы в целом. В связи с этим в медико-биологических исследованиях измерения, как правило, проводят при переменном токе с частотой более 1 кГц. В соответствии с законами электрической проводимости лучше проводят ток биожидкости и ткани небольшой плотности, содержащие много воды и высокоподвижных ионов. Это кровь, лимфа, желудочный сок, моча, спинномозговая жидкость, мышцы, подкожная клетчатка. Низкая электрическая проводимость у нервной ткани, жира, кожи и костной ткани.

Биологические жидкости являются электролитами, электропроводимость которых имеет сходство с электропроводимостью металлов: в обеих средах, в отличие от газов, носители тока существуют независимо от наличия электрического поля.

Биологические жидкости являются электролитами, т. е. будучи электрически нейтральными системами, состоят из положительных и отрицательных ионов и, следовательно, проводят электрический ток. Рассмотрим действие постоянного электрического тока на раствор электролита. Под действием постоянного электрического поля напряженностью Е, ионы начинают перемещаться вдоль линий напряженности электрического поля двумя встречными потоками, образуя электрический ток в электролитах. Направленное движение ионов в электрическом поле можно считать равномерным, так как сила, действующая со стороны электрического поля Fэл=qE, уравновешивается силой трения со стороны раствора (q - величина заряда, Е - напряженность электрического поля):

Fэл+Fтр=0 (1.1)

Силу трения со стороны раствора можно определить по закону Стокса

Fкр=6рзr? (1.2)

где з - коэффициент вязкости раствора, r- радиус положительного иона, х - скорость движения положительного иона. В скалярном виде уравнение (1.1) имеет вид:

q + E ? 6р з r х = 0 (1.3)

Отсюда можно найти скорость положительного иона:

х = E=b+E (1.4)

где b -коэффициент пропорциональности, называемый подвижностью положительного иона:

b= (1.5)

Аналогичные результаты можно получить и для отрицательного иона. Как видно из выражения (1.5) подвижность зависит от заряда иона, его размера и вязкости раствора. Физический смысл подвижности заключается в том, что она численно равна скорости движения иона при напряженности электрического поля, равной единице, т.е. |b| = |х| при Е=1, и измеряется в

м^2/В с.

Электропроводность электролитов имеет сходство с электропроводностью металлов, поэтому для электролитов, также как и для металлов, будет справедливо выражение плотности тока j. Однако в отличие от металлов его следует представить отдельно для положительных и отрицательных ионов:

(j+) =(q+)(n+)( х+) (j-)=(q-)(n-)( х-) (1.6)

где n+ , n- - концентрация положительных и отрицательных ионов. Так как раствор в целом электронейтрален, то суммарные заряды положительных и отрицательных ионов в единице объема по абсолютной величине равны друг другу:

q+ = q- = q (1.7)

Если предположить, что каждая молекула диссоциирует на два иона, то концентрация положительных и отрицательных ионов одинакова и равна:

n+ = n- = nб (1.8)

где б - коэффициент диссоциации, n - концентрация молекул электролита. С учетом (1.5 - 1.8) выражение для j+ и j- можно переписать:

j+= q n (b+) E, j - = q n (b-) E (1.9)

Тогда суммарная плотность тока для электролитов запишется

j=бnq((b+)+(b-))E (1.10)

Выражение бnq((b+)+(b-))? называется электропроводностью электролитов и обозначается у. Тогда уравнение (1.10) можно представить следующим образом:

j = уE . (1.11) 

Эта зависимость представляет собой закон Ома для электролитов. Электропроводность электролитов зависит от концентрации свободных ионов, их заряда, подвижности, а также температуры. В противоположность металлам электропроводность растворов электролитов возрастает при увеличении температуры, так как при этом увеличивается подвижность ионов. электрический ток свертывание кожа

4. Источники электрической энергии не проявляют внешних признаков опасности, поэтому органы чувств человека не обнаруживают грозящей угрозы. Электрический ток поражает внезапно при прикосновении к токоведущим частям электроустановок.

Электрический ток протекает через тело человека, если между двумя его точками имеется разность потенциалов. Напряжение между двумя точками цепи тока, которых одновременно касается человек, называется напряжением прикосновения.

Характер поражения электрическим током и его последствия зависят от значения и рода тока, длительности воздействия, индивидуальных физиологических особенностей человека и его состояния в момент поражения.

Значение тока, проходящего через тело человека, является основным фактором, обуславливающим исход поражения. Человек начинает ощущать воздействие проходящего через него переменного тока с частотой 50 Гц начиная от значений 0,6-1,5мА и постоянного тока 5-7мА. Эти токи называются пороговыми ощутимыми токами. Они не вызывают поражения человека. Однако воздействие таких токов может стать косвенной причиной несчастного случая. Например, потение рук при работе на высоте может привести к падению. Поэтому безопасным считают значение тока до 50 мкА при частоте 50 Гц и 100 мкА при постоянном токе.

При переменном токе в 10-15 мА и постоянном токе в 50-80 мА происходит судорожное сокращение мышц рук и человек не может самостоятельно оторвать руки от токоведущих частей. Наименьшее значение этих токов называется пороговым неотпускающим током. Поэтому, первое прикосновение человека к обесточенным токоведущим частям электроустановок необходимо выполнять тыльной стороной ладони.

При переменном токе в 25-50 мА нарушается работе органов речи и дыхательные движения грудной клетки. Длительное воздействие этого тока может вызвать прекращение дыхания, после чего спустя некоторое время наступает смерть от удушья.

Ток более 50 (80) мА вплоть до 100 мА ( при частоте 50 Гц) вызывает быстрое нарушение работы легких и сердца. Однако первыми поражаются легкие, а затем сердце.

Ток 100 мА … 5А при f=50 Гц и от 300 мА … 5А при постоянном токе в течение 1…2 секунд вызывает фибрилляцию сердца. При этом прекращается кровообращение, в организме возникает недостаток кислорода, что в свою очередь приводит к прекращению дыхания, т.е. наступает клиническая смерть. Человеческий мозг, лишенный кровоснабжения, живет в течение 5…8 минут, а затем погибает. Наступает биологическая смерть. Поэтому очень важно быстро оказать первую помощь пострадавшему, т.е. приступить к производству искусственного дыхания и массажа сердца.

Примечание. Так как значение протекающего тока через тело человека зависит от многих факторов, то приведенные значения тока в различных источниках могут колебаться в некоторых пределах.

Род тока и частота. Как показывает практика эксплуатации электроустановок постоянный ток безопаснее переменного с частотой 50 Гц примерно в 4…5 раз. Однако это справедливо для напряжения до 250…300В. Это связано со сложными биологическими процессами, происходящими в клетках организма. Снижение опасности поражения током с ростом частоты становится практически заметной при частоте 1000-2000 Гц, и при частоте 400-500 кГц полностью исчезает. Но при этом сохраняется опасность ожогов.

Путь прохождения тока в теле пострадавшего играет существенную роль в исходе поражения. Наиболее опасный - это путь, проходящий через головной и спинной мозг, сердце, легкие. Как показывает анализ электротравматизма, пути прохождения тока «правая рукам - ноги», «рука -рука» встречаются наиболее часто, реже встречаются пути «голова - ноги», «голова - руки», «нога - нога». Путь «нога - -нога» является наименее опасным.

Длительность прохождения тока через тело человека оказывает существенное влияние на исход поражения: чем продолжительнее действие тока, тем больше вероятность тяжелого смертельного поражения. Объясняется это тем, что со временем увеличивается ток, проходящий через тело человека (за счет уменьшения сопротивления тела), и появляется вероятность совпадения прохождения тока через сердце с фазой, в которой сердце имеет наибольшую чувствительность к току.

Индивидуальные свойства человека играют заметную роль в исходе поражения. Установлено, что физически здоровые и крепкие люди легче переносят электрические удары, нежели больные и слабые.

Немаловажное влияние на исход поражения оказывает психофизиологическая подготовленность человека к воздействию тока. Если человек внимателен, сосредоточен, подготовлен к тому, что он может подвергаться воздействию электрического тока, то травма может оказаться менее тяжелой. При заболеваниях сердечно-сосудистой, нервной системы, кожи, при алкогольном опьянении электротравма может быть чрезвычайно серьезной даже при небольших воздействующих токах.

5. Электрическая проводимость тела широко используется в медицине. Изучение электропроводящих свойств тканей и органов живых организмов имеет большое значение для понимания особенностей их строения и функционирования в норме и патологии. Так, удельная электрическая проводимость мочи в норме лежит в пределах 1,6-2,3 См/м. При заболеваниях почек (нефрит, нефросклероз, гломерулонефрит) электрическая проводимость может уменьшаться до 0,9-1,4 См/м, что связано с уменьшением концентрации NaCl и увеличением содержания белка. При диабете электрическая проводимость мочи также понижена до 0,9-1,4 См/м из-за повышенного содержания сахара, являющегося неэлектролитом.

Электрическая проводимость желудочного сока зависит главным образом от содержания в нем свободной соляной кислоты. В норме удельная электрическая проводимость желудочного сока составляет 1,0-1,25 См/м. Значения свыше 1,25 См/м указывает на гиперкислотность, в пределах 0,8-1,0 - на гипокислотность, а менее 0,8 - свидетельствуют о бескислотности.

Показано, что при воспалительных процессах электрическая проводимость клеток сначала уменьшается вследствие набухания клеток и увеличения клеточного объема, затем увеличивается в связи с ростом проницаемости мембран.

Электрическая проводимость крови изменяется в процессе свертывания. При появлении в крови фибрина и затем кровяного сгустка электрическая проводимость падает до тех пор, пока не начинаются ретракция и фибринолиз, сопровождающиеся выделением сыворотки из сгустка, его растворением и некоторым увеличением электрической проводимости крови. На определении электрической проводимости крови основано изучение кровенаполнения органов и сосудов. Электрическая проводимость цельной крови меньше, чем других клеточных жидкостей, поэтому при наполнении сосудов кровью их электрическое сопротивление повышается. Метод изучения кровообращения в печени, сердце, почках, кровотока в сосудах на основе кондуктометрических измерений получил название реографии.

Определение электрической проводимости тканей широко используется в диагностике. Электрическая проводимость большинства тканей и сред организма лежит в основе таких физиотерапевтических методов лечения, как ионофорез, электростимуляция, диатермия, ультравысокочастотная терапия и т. п. При ионофорезе лекарственные вещества вводятся в организм через неповрежденную кожу, сквозь поры потовых желез с помощью постоянного тока; в местах приложения электродов образуются кожные депо ионов, откуда лекарственный препарат постепенно перемещается к очагу поражения. В зависимости от заряда ионов лекарственных препаратов они вводятся с положительного или отрицательного электродов.

Измерение электрического сопротивления кожи имеет большое практическое значение для клинической рефлексологии, так как позволяет объективно определять местонахождение биологически активных (акупунктурных) точек на нашем теле. В области акупунктуры (1-3 мм2) кожа имеет низкое электросопротивление (1-3 кОм), тогда как остальные участки кожи имеют электросопротивление 20-100 кОм. В совокупности акупунктурные точки составляют систему прямой и обратной связи наших органов с окружающей средой. Поэтому рефлексология использует их и в диагностических, и в терапевтических целях, оказывая на эти точки различные воздействия (иглоукалывание, электропунктура, облучение лазером).

Электропроводимость организма используется в таких методах, как ЭКГ, ЭЭГ, Оптическая регистрация электрической активности разных органов тела.

Полиграф (детектор лжи) использует измерение электрического сопротивления кожи (кожно-гальваническую реакцию), т.к. КГР отличный показатель эмоционального состояния человека (отражает реакции симпатической нервной системы).

Ведутся глубокие изучения вопроса об управлении нервной системой различными внешними устройствами (протезами, машинами, механизмами).

Заключение

Электропроводность -- один из параметров, характеризующих жизненную деятельность живого существа. С возникновением живого организма любого вида начинаются биоэлектрические явления, которые прекращаются только после гибели живого существа. Человек не является исключением.

Тело человека представляет собой по своим электрофизическим свойствам соленый раствор (раствор электролита). Разные ткани тела человека характеризуются разной концентрацией раствора электролита и разным его составом, вследствие чего различаются по своим диэлектрическим свойствам.

Дальнейшее изучение данного вопроса очень перспективно, у данного направления имеется большое потенциал.

Список литературы

1. Лекция профессора, д.б.н. Ольги Петровны Балезиной , МГУ, кафедра физиологии человека и животных.

2. Губанов Н. И., Утепбергенов А. А. Медицинская биофизика: Учебник.- М.: Медицина, 1978. - 336 с.

3. Рубин А. Б.Биофизика: В 2-х кн.: Учеб. для биол. спец. вузов. Кн. 2. - М.: Высш. шк., 1987.

4. Самойлов В. О. Медицинская биофизика: Учебник. - СПб.: СпецЛит, 2004.- 496 с.

5. Назарова А. А., Семененко Н. М. Постоянный электрический ток и применение его в медицине // Научно-методический электронный журнал «Концепт». - 2016. - Т. 12. - С. 31-35.

Размещено на Allbest.ru