Научно-исследовательская работа по физике

АДАМ АҒЗАСЫНДАҒЫ ЭЛЕКТРОМАГНИТТІК ҚҰБЫЛЫСТАР

9-сынып оқушысы Мусали Еркежан Айдынқызы.

Ғылыми жетекші: физика пәнінің мұғалімі Мусалиева Р. Г.

ШҚО, Семей қаласы, « №26 жалпы орта білім беретін мектеп» КММ

Адам ағзасы терең. Бірақ біз оның құпия құбылыстарын біле береміз бе? Білгенімізбен, мән бермеуіміз де мүмкін. Әйтсе де, ғалымдардың, кейде дәрігерлердің өзін тығырыққа тірейтін адам ағзасының күрделі жүйесін ұғына бермейміз. Ол рас. Ендеше, өз денемізге, тұла бойымызға, ондағы электромагниттік құбылыстарға тағы бір зер салып қарайықшы...

Ағза ұлпаларының электрлік қасиеттері.

Тірі ағзалардың ұлпалары құрамына қарай әр түрлі болып келеді. Ұлпаның тығыз бөліктерін құрайтын органикалық заттар диэлектрик болып табылады. Бірақ органикалық коллоидтардан басқа электролит ерітінділерінде де сұйықтық бар, сондықтан шартты түрде жақсы өткізгіштер деп саналады.

Жасушалар мен ұлпалардың электрлік қасиеттеріне жасушалық мембраналар әсер етеді. Ұлпалардың меншікті кедергілерінің шамалары бойынша бір-бірінен айырмашылығы бар болады.

20ºС-тағы тұрақты токтағы кейбір ұлпалардың меншікті кедергісі:

Ұлпалар

Меншікті кедергісі, Ом* м

Жұлын сұйықтығы

0,55

Қанның сары суы

1.4

Қан

0,7

Бұлшық ет

2,0

Ішкі мүшелер

0,2-0,3

Жүйке және ми ұлпалары

14

Май ұлпасы

33

Ең жоғары электрөткізгіштік жұлын сұйықтығында, қанның сары суында, ішкі мүшелерінің өткізгіштігі анағұрлым төмен, сол сияқты мидың, жүйкенің, майдың және жалғастырғыш ұлпаларының да өткізгіштігі төмен. Диэлектриктерге жататын, нашар электрөткізгіштер- мүйізді қабаты, сіңір, әсіресе, сүйек ұлпасы. Электродтар арасындағы ұлпалардың кейбір бөліктері мен ағза бөліктеріндегі электрөткізгіштігінің бастысы тері қабатымен терасты май жасушаларының кедергі келтіруіне байланысты. Осы қабатты өткеннен кейінгі ток жан-жаққа тарап, терең жатқан ұлпалардан параллель (қатар) ең аз кедергі келтіру жолымен жүреді. Бұл жолдар қан және лимфа тамырларының маңайында орналасқан. Ток жолдары тірі ағзада өте қиын болуы мүмкін.

Терінің электрөткізгіштігі оның үстінгі қабаттарының жағдайы мен қалыңдығына байланысты. Жұқа, әсіресе дымқыл тері, сонымен қатар эпидермистің сыртқы қабаты бүлінген тері тоқты жақсы өзгереді. Керісінше, құрғақ, қатайып кеткен тері-жаман өткізгіштер болып табылады. Ұлпа құрылымында токты жақсы өткізетін жүйелер бар, олар өткізгіштігі нашар немесе диэлектриктермен бөлінеді. Мысалы, ұлпа құрылымының негізгі бөлшегінде - протоплазманың басқа бөлімдері мен жасушаны шайып өтетін ұлпа сұйықтығында жоғары өткізгіштік байқалады. Электр тогы ұлпалар арқылы өткенде поляризациялық құбылыс байқалады, мысалы, иондардың бір жерге жиналуы болады. Бұл ұлпалардың сыйымдылық қасиеттерін ұлғайтады. Осылайша, ағза ұлпалары эквивалентті схемаға кедергі келтіру мен конденсаторлардан тұрады, мысалы, электрод қойылған қимыл мүшесінің кедергісі 1000-300 Омға тең, сыйымдылығы 0,01-0,02 мкФ. Мұндай бөліктің электрөткізгіштігі жиілікке байланысты.

Мембрандық потенциал және жүйке импульсі.

Тірі жасуша қабырғалары липид (май) молекулалары қабатымен бөлінген, қос қабатты нәруыздан тұратын жұқа мембрана болып табылады. Әрбір қабаттың қалыңдығы 3,0 нм, ал мембрананың қалыңдығы 9,0 нм.

Жасуша мембранасы ерітінді иондардан тұратын екі бөлікті құрайды. Жасуша аралық кеңістікте Na⁺, Сl¯ иондары, жасуша ішінде К⁺ иондары бар болады.

Қозу - тірі жасушалардың тітіркендіргіштерге қайтаратын жауабы. Қозу кезінде тірі жүйе бір қалыпты физиологиялық тыныштықтан қызмет әрекетіне көшеді. (мыс, бұлшық ет талшықтарының жиырылуы, без жасушаларының сөл шығаруы т.б.) Қозу - күрделі физика-химиялық құбылыс. Оның алғашқы кезінде жасуша мембранасының бетінде ион, электр өту жағдайы өзгереді. Қозу әсіресе жүйке, бұлшық ет жасушаларында жақсы зерттелген.

Үнемі, тіпті тітіркендіру болмағанның өзінде де барлық жасушалардың цитоплазмасы мен сыртқы ортасы арасында, яғни жасуша мембранасының екі жағында потенциалдар айырымы болады. Осының нәтижесінде жасуша мембранасы поляризацияланып тұрады, яғни мембрананың ішкі беткейі сыртқы беткейіне қарағанда теріс зарядты болады. Потенциалдың бұл айырмашылығын мембраналық немесе тыныштық потенциалы деп аталады. Потенциал айырмасының болуы жасуша ішіндегі және сыртындағы жасуша сұйықтығындағы иондар концентрациясының тең еместігіне байланысты. Қозу кезінде потенциал айырымының электрлік өзгерісін әрекет потенциалы деп атайды. Белгілі бір шекке жеткенде потенциал айырымының өзгерісі күрт өседі. Тітіркендіру әсері тоқтаған соң потенциал айырымы бастапқы қалпына келеді. Қозу- толқын тәрізді таралатын құбылыс, оның өтуіне химиялық факторлар да қатысады. Жүйке ұштарындағы импульстарды өткізгіштер немесе медиаторлар деп аталатын химиялық қосылыстар түзіледі. Олар жүйке ұштары аяқталатын жасушаларда қозу тудырады.

Мембрана бетінде потенциалдар айырмасы 70мВ, ал мембрана ішінде электр өрісінің кернеулігі: Е= U/d=7*10^-2 В/ 9*10^-9 м =7,8*10⁶ В/м.

Биопотенциалдар.

Биоэлектрлік потенциалдың тірі ағзаның құрамы мен оны қоршаған орта, бір жасушаның қозған және қозбаған бөліктері, әртүрлі физиологиялық жағдайда болатын бір ағза мүшесінің әртүрлі бөліктері т. б. арасында болуы зерттеледі.

Тірі ағзаларда потенциалдар айырмасының пайда болу себептері:

-Мембрана арқылы иондардың тасымалдануы. Иондардың (зарядтың) орын ауыстыруы электр тогын туғызады. Бұл жағдайда зарядтардың бөлінуі, яғни электрлік қос қабаттың пайда болуы жүреді.

- Электро-химиялық реакциялар жүретін жүйенің болуы.

Ағзадағы зат алмасу процесі мембрана насостарының жұмысын жетілдіреді. Жасушаның потенциалдар айырмасының өзгерісі жасушаның өзіндегі немесе жасуша сыртындағы ортаның құрамына байланысты болады.

Потенциалдар айырымының болуы жасуша ішіндегі және сыртындағы ұлпа сұйықтығындағы иондар концентрациясының тең еместігіне байланысты.

Электромагниттік өрістің биологиялық әсері

Электромагниттік өрістің төмен жиілігінде адам денесі өткізгіштік қасиетке ие болады. Сыртқы электромагниттік өрістің әсерінен ұлпаларда ток өткізгіштігі пайда болады. Еркін зарядтардың қызметін иондар атқарады.

Төмен жиілікті электромагниттік толқын ұзындықтары адам денесінің өлшемінен асып түседі, сондықтан бүкіл ағза осындай толқындардың әсеріне ұшырайды. Дегенмен, электромагниттік толқындар әр түрлі ұлпаларға әртүрлі әсер етеді, өйткені ұлпалардың ток өткізгіштігі , электрлік қасиеті бойынша айырмашылықтары бар. Әсіресе, жүйке жүйесі өте сезімтал келеді.

Кернеулігі 10 В/м, жиілігі 10 Гц сыртқы эм. өрістің әсерінен бастың ми ұлпаларында өріс пайда болады. Жүйке жүйесі мен бұлшық еттерге әсер еткенде жиілік жуықтайды, ал ұлпалар бұл жиілікте күшті токпен әсер еткенде ғана қозады. Жүйке және бұлшық ет ұлпаларының эм. өріс әсерінен қозуы электрлік зақымдалудың биофизикалық механизмі болып табылады. Электрлік жарақатанудың себепкері не тұрақты, не айнымалы электр тогы болуы мүмкін. Мұндай қозулар қалыпты өмір сүру қызметтерін бұзуы ықтимал. Әсіресе, бұл жүрекке, дем алу мүшелеріне әсер етеді.

Жасушалық мембрананы жазық конденсатордағы диэлектрик ретінде қарастыруға болады. Биомемрананың сыйымдылық кедергісі көп болса, соғұрлым ол электр зарядын өзіне азырақ жинайды және сыртқы электромагниттік өрістің аз энергиясы ғана электр энергиясына айналады.

Адам денесіне электр тогының әсері.

Тұрақты токтың физиологиялық әсері жасуша мен ұлпаларды толықтырып тұратын электролиттерде өтетін процестерге байланысты болады.

Ағзаның барлық қалыпты функциялары электрлік өзара әсерлесуге негізделген. Бұлшық еттердің, сондай-ақ жүректің соғысы мен дем алуы электр токтарымен бақыланады. Әртүрлі сезім мүшелері арқылы алынатын мәліметтер электр сигналдарының көмегімен миға беріледі. Электр токтары ағзаның қалыпты жұмыс істеуіне қатысқанмен, өте маңызды мүшелер арқылы сыртқы ток көздерінен берілген электр токтары өткенде, адам не жануар жарақат алып, тіпті өліп кетулері мүмкін.

Дене арқылы өткен ток көбіне әсерлесу жеріндегі дене жағдайына байланысты болады. Құрғақ терінің кедергісі жоғары, ал ылғал терінің кедергісі төмен, өйткені ылғалда болатын иондар денеге токтың бөгетсіз кіруін қамтамасыз етеді. Құрғақ терідегі R=10⁵ Ом және одан да көп, ал ылғал терідегі кедергі осы мәннің 1%-ін ғана құрайды. Ылғал қолдың арасындағы толық кедергі 1500 Ом. I₀=120 В/10⁵ Ом= 1,2 мА (құрғақ тері үшін).

I₀=120 В/1500 Ом= 80 мА (ылғалды тері үшін).

Электр тогына ерекше сезімтал келетін ағзадағы ми, кеуде бұлшық еттері, жүрек пен дем алуды бақылайтын жүйке центрлері.

Электрокардиография (ЭКГ) арқылы жүректің жұмысы, аурудың бар-жоғын не оның жұмыс істеу қызметінің бұзылуын электр сигналдарының өзгерісін бақылау жолымен қадағалайды.

Ағзадағы токтың әсер ету нәтижесі

60Гц жиіліктегі токтағы ток күші

Токтың әсер ету нәтижесі

0-0,5мА

0,5-2мА

2-10мА

10-20 мА

20-100мА

100 мА-3А

3А жоғары

Әсері жоқ

Сезімталдықтың жоғалуы

Ауыру,бұлшық еттердің тартылуы

Бұлшық еттерге әсер етудің өсуі, кейбір зақымдаулар ≈16мА -адам электродтарға жабысып қалуы мүмкін

Дем алу мүшелерінің жансыздануы

Құтқару жұмыстары (реанимация) жүрмеген жағдайда, жүрек қарыншаларының дірілдеп, әлсіреуі болады.

Жүрек соғысының тоқтауы.

Пайдаланылған әдебиеттер

1. Богданов. К. Ю. Физик биологта қонақта. М. 1986.

2. Большаков. А. П. Биология. Қызықты фактілер. 1999.

3. Волькенштейн.М. Молекулярная биофизика. 1993.

4. Губанов.Н.Н. Утепбергенов. А. А. Медициналық биофизика. 1999.

5. Соколова. Е. И. Бәрін білгім келеді. 1991.

6. Тейлор Ч. Поупл. С. Энциклопедия школьника OXFOPD. 2004.