Проект по биологии Биоэлектричество

МУНИЦИПАЛЬНОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ГОРОДСКОГО ОКРУГА БАЛАШИХА

«СРЕДНЯЯ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ ШКОЛА № 30»

143909, Московская область, г. Балашиха, мкр. Авиаторов, ул. Летная, д.7

тел.: (498) 500-40-06, (498) 500-40-07, e-mail: bal.school30@yandex.ru

ИНН 5001096382 КПП 500101001 ОГРН 1135001006238

Исследовательский проект по биологии:

«Биоэлектричество»

Автор работы: учащийся МБОУ «Школа № 30» Проскурин Михаил 11 «Б» класс

Научный руководитель: Т.В. Лазарева, учитель биологии высшей квалификационной категории, заместитель директора по УВР.

Балашиха 2017 г.

Введение

Размышляя о взаимодействии химических и электрических явлений, Фарадей сказал: "Как ни чудесны законы и явления электричества, которые мы наблюдали в мире неорганического вещества и неживой природы, интерес, который они представляют, вряд ли может сравниться с тем, что вызывает та же сила в соединении с нервной системой и жизнью". И в самом деле, ваша двигающаяся рука, мышцы вашего глаза направили его на эти строки, другие мышцы изменили кривизну хрусталика, чтобы сфокусировать изображение букв на поверхности сетчатки. Все это произошло по приказу нервных импульсов, генерируемых в нервной клетке. Во многих биологических процессах мы при внимательном рассмотрении обнаружим электрохимические звенья.

Цель проекта

Информирование участников образовательно процесса (учащихся, учителей и родителей) о…

Актуализация

Мой проект весьма актуален, так как он направлен на повышение знаний у участников образовательно процесса по биологии и физики, а также познакомит учащихся…

Исследование

Так как в будущем я собираюсь…

Подготовка к конференции

Проведение конференции

Понятие о биоэлектричестве

БИОЭЛЕКТРИЧЕСТВО - естественные электрические процессы в живых организмах, лежащие в основе многих физиологических и биологических реакций. Электрические явления и процессы, возникающие в живых тканях организма.

История развития

В 1791 Л.Гальвани обнаружил, что если к изолированной мышце лягушки прикоснуться металлическим предметом, то мышца сократится. Он объяснил это явление существованием «животного электричества». Проанализировав опыты Гальвани, А.Вольта пришел к заключению, что электричество возникает в тот момент, когда металл касается мышцы; в дальнейшем его вывод лег в основу создания электрической батареи. Такие батареи стали использовать для лечения нервных и мышечных нарушений. Электротерапия широко вошла в медицинскую практику в 19 веке, но с развитием биохимии и появлением новых лекарственных препаратов утратила прежнее значение.

В 1791 Гальвани опубликовал «Трактат о силах электричества при мышечном движении». Исследования начались в 1780 году, а трактат вышел только в 1791г., и за эти 11 лет было поставлено огромное число экспериментов.

В серии опытов Гальвани открыл, что воздействие на нервы проявляется гораздо сильнее, чем на мышцы. Это утвердило его в том, 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.

В тоже время Гальвани устанавливает, "что все части рассеченных животных так или иначе свободно проводят и легко пропускают электричество, вероятно вследствие влажности, которой они пропитываются". Он рассматривает мышцу как батарею лейденских банок, указывая, что электричество сосредоточено на поверхности между внутренней полостью мышечных волокон и наружной. В качестве существенной детали этой гипотезы Гальвани предлагает принять во внимание, "что мышечное волокно, хотя на первый взгляд и очень простое, состоит, однако, из различных как твердых, так и жидких частей, что обусловливает в нем немалое разнообразие веществ".

Проанализировав опыты Гальвани, физик А. Вольта пришел к заключению, что животные органы, равно как и их части, лишь пассивные проводники электричества. То есть животного электричества, помимо проявляемого в особым образом устроенных электрических органах рыб, не существует. Но для Гальвани, который уверен, что источник энергии находится внутри организма, существование металлического электричества - всего лишь повод модификации физиологических опытов. Однако Вольта остается глух к аргументам Гальвани даже после того как в новых опытах тот показал, что мышцы лягушки сокращаются и в том случае, когда никаким металлическим предметом к ним не прикасаются - при соединении бедренного нерва с мышцей происходило заметное сокращение мышцы.



В свою очередь, придя к отрицанию животного электричества, Вольта продолжал работать с широким кругом живых организмов. Главные объекты интереса - электрические органы угрей и скатов. Он анатомирует их восемь лет. При этом мысли все время заняты проблемой: почему два разнородных металла, например, серебро и цинк, дают большой физиологический эффект, а дуга из одного металла действует слабо? Наконец, Вольта, имея перед глазами кукурузоподобную структуру электрических органов, начинает собирать в стопку кружки серебра и цинка, прокладывая их смоченным сукном, и получает Вольтов столб. Другой вариант конструкции Вольтова столба - чашечки с электролитом и проволоками разных металлов. Электроциты пресноводных электрических угрей очень похожи на диски, а морских электрических скатов - на чашечки, отсюда два базовых варианта. Так многолетний научный спор между Гальвани и Вольта о природе "животного электричества" завершился двумя крупными открытиями: Гальвани стал основоположником биоэлектричества, Вольта - основоположником электрохимического источника постоянного тока - Вольтова столба (гальванического элемента), прообраза всех современных батареек и аккумуляторов.

Биоэлектричество в современном понимании

Трудности, с которыми сталкиваются исследователи, когда пытаются объяснить по крайней мере 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 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. 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, т.е. генерации в ней электричества при механическом воздействии (например, при нагрузке во время ходьбы). Известно, что если костная ткань не испытывает регулярной механической нагрузки, то ее механические свойства утрачиваются. Возможно, пьезоэлектричество - это «передаточное звено» между внешним воздействием (нагрузкой) и внутренними процессами (образованием новой костной ткани). Полученные экспериментальные данные подтверждают эту идею. Возможно, электротерапия окажется полезной при лечении инфекционных заболеваний, наркомании, рака.

Еще одно направление 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 годов 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.

Мы хорошо знаем, как устроены наши пять органов чувств - зрение, слух, обоняние, осязание, вкус; в них выявлены клетки, воспринимающие внешние стимулы, и нервы, по которым информация передается в мозг. Для большинства же биоэлектрических эффектов соответствующие клетки и пути передачи сигналов неизвестны. Механизм восприятия клетками электромагнитных полей объясняется двумя теориями, причем обе постулируют принципиально новые процессы. Согласно первой из них, между нервными клетками возможны кооперативные взаимодействия, зависимые от электромагнитных полей; согласно второй - восприятие поля происходит только в определенных условиях, а именно при наличии у клеток особого электрического статуса. Еще одна теория объясняет связь между воздействием электромагнитного поля и развитием того или иного заболевания: предполагается, что это воздействие вызывает стресс, и если оно достаточно длительное, то происходит ослабление иммунной системы, соответственно снижаются адаптивные возможности организма и на этом фоне легко возникает болезнь.

Электрические рыбы

Среди электрических рыб первенство принадлежит электрическому угрю, живущему в притоках Амазонки и других реках Южной Америки. Взрослые особи угря достигают двух с половиной метров. Электрические органы - преобразованные мышцы - располагаются у угря по бокам, простираясь вдоль позвоночника на 80 процентов всей длины рыбы. Это своеобразная батарея, плюс которой находится в передней части тела, а минус - в задней. Живая батарея вырабатывает напряжение около 350, а у самых крупных особей - до 650 вольт. При мгновенной силе тока до 1-2 ампер такой разряд способен свалить с ног человека. С помощью электрических разрядов угорь защищается от врагов и добывает себе пропитание.

В реках Экваториальной Африки обитает другая рыба - электрический сом. Размеры его поменьше - от 60 до 100 см. Специальные железы, вырабатывающие электричество, составляют около 25 процентов общего веса рыбы. Электрический ток достигает напряжения 360 вольт. Известны случаи электрического шока у людей, купавшихся в реке и нечаянно наступивших на такого сома. Если электрический сом попадается на удочку, то и рыболов может получить весьма ощутимый удар током, прошедшим по мокрым леске и удилищу к его руке.

Однако умело направленные электрические разряды можно использовать в лечебных целях. Известно, что электрический сом занимал почетное место в арсенале народной медицины у древних египтян.

Вырабатывать весьма значительную электрическую энергию способны и электрические скаты. Их насчитывается более 30 видов. Эти малоподвижные обитатели дна, размером от 15 до 180 см, распространены главным образом в прибрежной зоне тропических и субтропических вод всех океанов. Затаившись на дне, иногда наполовину погрузившись в песок или ил, они парализуют свою добычу разрядом тока, напряжение которого у разных видов скатов бывает от 8 до 220 вольт. Скат может нанести значительный удар током и человеку, случайно соприкоснувшемуся с ним.

Помимо электрических зарядов большой силы рыбы способны вырабатывать и низковольтный, слабый по силе ток. Благодаря ритмическим разрядам слабого тока с частотой от 1 до 2000 импульсов в секунду, они даже в мутной воде превосходно ориентируются и сигнализируют друг другу о возникающей опасности. Таковы мормирусы и гимнархи, обитающие в мутных водах рек, озер и болот Африки.

Вообще же, как показали экспериментальные исследования, практически все рыбы, и морские, и пресноводные, способны излучать очень слабые электрические разряды, которые можно уловить лишь с помощью специальных приборов. Эти разряды играют важную роль в поведенческих реакциях рыб, особенно тех, которые постоянно держатся большими стаями.

Электрические органы

Упомянутые рыбы проявляют необычные способности благодаря видоизмененным мышцам - электрическому органу. У различных рыб это образование имеет различное строение и размер, и расположение, например, у электрического угря оно размещается по обе стороны вдоль тела и составляет около 25% массы рыбы.

В японском аквариуме Эносимы электрический угорь используется для освещения рождественской ели. Дерево соединено с аквариумом, обитающая в нем рыба производит около 800 Вт электроэнергии, чего вполне достаточно для иллюминации.

Любой электрический орган состоит из электрических пластинок - видоизмененных нервных и мышечных клеток, мембраны которых и создают разность потенциалов.



Электрические пластинки, соединенные последовательно, собраны в столбики, которые параллельно соединены между собой. Разность потенциалов, вырабатываемая пластинками накапливается на противоположных концах электрического органа. Остается только активировать его.



Электрический угорь, например, изгибается, и между положительно заряженной передней частью тела и отрицательно заряженной задней проскакивает серия электрических разрядов, поражая жертву.

Электрический ток из клеток водорослей

Впервые ученым из Стэнфорда - сердца Силиконовой долины (США) удалось получить небольшой электрический ток из клеток водорослей. Это первый шаг к экологически чистому процессу создания биоэлектричества, не загрязняющего окружающую среду углекислым газом. Ток вырабатывался во время фотосинтеза - преобразования солнечного света в химическую энергию.

Международная команда исследователей разработала уникальные ультраострые наноэлектроды, изготовленные из золота и спроектированные специально для размещения внутри клетки. Они аккуратно вводятся через мембрану, которая защищает клетку, при этом последняя остается живой. Электрод собирает электроны, которые были сгенерированы в клетке светом, генерируя при этом небольшой электроток.

Растения используют фотосинтез для конвертации энергии света в химическую энергию, которая хранится в виде сахаров, используемых флорой в качестве пищи. Этот процесс происходит в хлоропластах - клеточных электростанциях, которые производят сахара и придают листьям и водорослям зеленый цвет. В хлоропластах вода разделяется на кислород, протоны и электроны.

</<font size="4">Солнечный свет проникает в хлоропласты и переводит электроны на более высокий энергетический уровень, после чего их захватывает протеин. Электроны двигаются по протеинам, которые захватывают все больше и больше их энергии для синтеза сахаров, пока вся она не будет потрачена.

В этом эксперименте ученые перехватывали электроны в тот момент, когда они находились на самом высоком энергетическом уровне. Специалисты помещали золотые электроды в хлоропласты клеток водорослей и откачивали оттуда электроны, генерируя небольшой электрический ток.

В результате ученым удалось добыть электричество экологически безопасным способом, не выделяя в атмосферу углекислого газа. Единственными побочными продуктами фотосинтеза были протоны и кислород.

Концепция биоэлектрического управления пилотируемыми космическими аппаратами

Человек в процессе трудовой деятельности и в повседневной жизни привык взаимодействовать с окружающей средой с помощью движений. В независимости от того, происходит ли это взаимодействие с использованием простых орудий труда или сложных человеко-машинных интерфейсов, в конечном счете, оно сводится к мышечным усилиям как основному управляющему воздействию. Однако, такой способ управления не единственный, более того, иногда в силу особенностей системы или среды управления он может быть не оптимален.

Ярким тому примером может являться ситуация, когда космонавту, испытывающему сильные перегрузки, приходится работать с органами управления пилотируемого космического аппарата (ПКА). Как правило, такая ситуация возникает на участках выведения и спуска ПКА, особенно в случае нештатного спуска по баллистической траектории. В этом случае возникают проблемы с координацией движений вплоть до невозможности ручного управления с использованием опорно-двигательного аппарата.

Чтобы избавить экипаж от необходимости ручного управления с использованием мышечных усилий или свести их к минимуму, в качестве управляющих воздействий могут быть использованы и другие проявления жизнедеятельности, такие как изменение температуры тела, звуковые и механические явления, сопровождающие физиологические процессы орга-низма и т.д. Однако одним из наиболее практически удобных проявлений для цели управления является биоэлектрический процесс, сопровождающий функционирование органов и тканей организма.

На сегодняшний день спектр задач, в которых применяются биоэлектрические системы управления, достаточно широк. В первую очередь сюда входит диагностическая медицинская аппаратура, средства протезирования, аппаратура поддержания жизнедеятельности и т.п. Однако в рамках задачи управления техническими средствами можно выделить отдельный класс такого рода систем как биотехнические системы, в которых роль управляющего звена играет человек-оператор, осознанно формирующий биоэлектрические потенциалы в своем организме в интересах управления.

Биотехнические системы управления имеют ряд преимуществ по сравнению с традиционными:

- использование биопотенциалов отдельных органов и тканей позволяет следить и оценивать функциональное состояние оператора;

- надежность управления может быть повышена использованием биоэлектрической системы в качестве дублирующей;

- выдача управляющих воздействий сопровождается минимальными мышечными усилиями, достаточными для считывания биоэлектрического потенциала, что облегчает деятельность оператора.

Эти и некоторые другие преимущества систем биоэлектрического управления представляют ценность для использования этих систем в области пилотируемой космонавтики в качестве основного или дублирующего контура ручного управления экипажем космического аппарата.

Заключение

Способность животных и растений генерировать биоэлектрические потенциалы - одно из наиболее удивительных свойств биологических систем. Какую бы часть организма или клетки мы не взяли, она обязательно несет определенную электрическую полярность.

Долгое время эту способность рассматривали как интересный биологический феномен, являющийся побочным результатом основных физиолого-биохимических и биофизических процессов. Однако в последние годы становится все более очевидным, что электрическая активность живых клеток - это очень важная функция, которая играет существенную и универсальную роль в жизнедеятельности организмов.

Поскольку клетки или ткани организма имеют электрические полярности, они, соответственно, создают вокруг себя электрические поля. Они очень слабые, но их вполне можно измерить с помощью особых приемов. В настоящее время все более укрепляется представление о том, что эти биополя представляют собой своеобразную силовую матрицу, в соответствии с которой может осуществляться рост и развитие отдельных органов и тканей живых организмов.

Любопытно, что электрическое поле одного объекта способно влиять на электрическое поле другого (если они находятся рядом) и таким образом обеспечивать определенное взаимодействие их физиологических процессов. К сожалению, вопрос о роли биоэлектрических потенциалов в самоорганизации живых систем разработан в науке пока крайне слабо