Блестящая идея сопоставления свойств гигантских биологических молекул со свойствами полупроводников, выдвинутая им вызвала огромный интерес. Ведь жизнь есть непрерывный процесс поглощения, преобразования и перемещения энергии различных значений и различных видов. Необходим механизм, объясняющий миграцию энергии вдоль молекул живого тела. Такой механизм, объясняющий многие процессы живого – это электронная теория полупроводников, разработанная в теории твердого тела. Макромолекула живого во многом равнозначна молекуле полупроводника, хотя происходящие в ней явления гораздо сложнее. Поэтому, имея централизованную систему анализа и управления функциями отдельных тканей, органов и организма в целом, а именно – мозг, электрическими импульсами можно воздействовать на клетки, изменяя их проводимости, а, значит, и другие свойства. Например было найдено вещество, способное служить катализатором некоторых реакций при действии на него электрического тока. Этим веществом была гелеподобная матрица. При изучении ее свойств было выяснено, что при подаче на нее незначительного напряжения (вырабатываемого клеткой) происходит существенное ускорение протекания химической реакции. А раз была найдена структура, требующая именно электрическую энергию , то необходимо найти своеобразный генератор биоэлектричества. Для объяснения этого явления необходимо обратиться к потенциалам.
Понятие о потенциале в биоэнергетике
Важнейшую роль приобретает понятие потенциала в биоэнергетике, особенно в раскрытии природы электрических явлений живого организма. Исходя из того, что потенциал – интегральное энергетическое понятие, рассмотрим его составляющие – ионизационный и биоэлектрический. В жизнедеятельности человека, несомненно, имеет значение и биомагнитный потенциал.
Рассмотрим элементарную систему – атом водорода.
Вокруг ядра атома перемещается по определенной оболочке электрон, несущий отрицательный заряд электричества. Электрон удерживается на орбите вблизи атомного ядра, обладающего положительным зарядом, силами электростатического притяжения. Для того, чтобы удалить электрон из системы атома водорода, требуется затратить энергию. Энергия измеряется в электрон-вольтах (электрон-вольт – это небольшая величина, равная 1,6·10-19Дж). Лишенный электрона атом водорода превращается в положительно заряженный ион, взаимодействие которого с веществом будет другим.
Приведу общее определение потенциала. Потенциал – это скалярная величина, численно равная энергии единицы точечного положительного электрического заряда в данной точке. Он равен работе, совершаемой при перемещении единицы электрического заряда из рассматриваемой точки в точку, потенциал которой условно принимается равным нулю. На отрыв электронов от системы атома или молекулы требуются различные энергии. В среднем энергия связи равна 30-50 эВ. В ткани живого организма энергия связи электрона с ядром во много раз меньше этой величины и в ряде случаев составляет доли электрон-вольта.
Ионизационный потенциал – одно из употребительных и простых понятий. Но с ионизацией происходящей в живом организме все происходит гораздо сложнее, хотя она и обуславливает обменные процессы живого организма. Сложность состоит в том, что значение биопотенциала в причудливо организованных молекулах живого организма иногда весьма мало – не превышает сотых долей эВ, а электрон-вольт сам по себе очень малая величина. И измерять столь ничтожную энергию связи крайне сложно.
В биологических системах электроны имеют минимальные значения энергии, когда они связаны с кислородом в молекуле воды. С энергетической точки зрения вода – основа жизни всего организма. Поэтому можно принять ее ионизационный потенциал за исходный и вести отсчет энергии от него. Относительно значения ионизационного потенциала воды можно найти значения потенциалов всех биологических соединений. Получится шкала ионизационных потенциалов – её еще называют шкалой биопотенциалов. Под ионизационным потенциалом понимают энергию того электрона, у которого энергия связи минимальна.
Таким образом, биопотенциал – это ионизационный потенциал биологических соединений, характеризуемый исключительно малым значением энергии связи. Но взаимодействие между элементарными частицами на этих уровнях энергии обуславливают макроявления, выражающиеся, в частности, в суммарной биоэлектрической активности, при которой разность потенциалов достигает единиц милливольт. Изменения же этой разности отображают нормальные и патологические процессы, возникающие в организме. Разность потенциалов свидетельствует о реакции организма на факторы внешней среды, а «перемещение» электричества по организму – о временном последствии внешних факторов.
Особенностью электрофизических свойств белковых и других биообъектов является также огромная подвижность зарядоносителей. Результаты, позволяющие установить это, получены путем применения к белковым соединениям теории потенциального барьера.
По-видимому, в этом случае большое значение имеют углеродно-кислородные и азотно-водородные связи. В такой системе водородных связей возбужденный электрон посредством туннельного эффекта может проникать через потенциальный барьер, а следовательно, мигрировать по всей системе белковой молекулы. Это приводит к значительному суммарному смещению электрона и обуславливает его подвижность, делая белковую систему высокопроводящей.
Организм и биоэлектрический ток
Особенности электрофизических явлений в биообъектах позволяют утверждать, что носителями зарядов в белках и других элементах живого организма являются ионы, которые в совокупности с системой электронно-дырочной проводимости создают единую, присущую только живому организму проводимость. При увеличении количества воды зарядоносителями могут преимущественно быть протоны, в высушенных белках – преимущественно электроны. Но установлено, что включенное в состав белка некоторое количество вещества, содержащего хлор, названного хлорамином, играет роль акцептора. Оно повышает собственную проводимость белка в миллион раз, но добавление вместо него некоторого количества воды уменьшает проводимость в 10 раз.
Наряду с белками в организме важную роль играют нуклеиновые кислоты. По своей структуре, водородным связям и другим элементам они отличаются от белковых соединений, но имеют аналоги среди небиологических веществ (графит). Для них характерны общие электрофизические свойства белковых соединений. Так энергия связи находится в пределах 2,5 эВ. Удельная проводимость велика, но на несколько порядков меньше проводимости белков. Несколько ниже и подвижность зарядоносителей. Но в целом электрофизические характеристики и явления, их вызывающие, имеют общие закономерности с аналогичными характеристиками белков.
Нуклеиновые кислоты обладают присущими только им свойствами. Удалось установить, что нуклеиновые кислоты имеют пьезоэлектрические и термоэлектрические свойства. Оказалось, что эти свойства в значительной степени обусловлены наличием воды. Изменением её количества можно менять и пьезоэлектрические свойства. Исследование явлений электропроводимости с помощью данной методики еще раз подтвердило наличие и у этих веществ пока не характеризуемо точно специфической проводимости.
Постоянно изменяющееся возбужденное их состояние оказывает специфическое влияние на подвижность и движение электронов и ионов в живом организме.
Сказанное, прежде всего, относится к нервной ткани, и особенно к центральной нервной системе. Только сложностью такого наложения и совмещения биоэлектрофизических явлений можно объяснить исключительно малую скорость распространения ответных реакций организма на воздействие некоторых факторов окружающей среды. Именно малая скорость защитных реакций и объясняет, почему столь микроскопическая доза яда как 0,0000007 мг, может погубить человека при ботулизме.
Электрическая активность мозга оценивается импульсами напряжения различной частоты и спектральной плотности биопотенциалов. После изучения ритмов (импульс в секунду) нескольких тысяч людей, животных была получена следующая закономерность:
Дельта-ритм…………0,5 – 0,3
Тета-ритм……………4 – 7
Альфа-ритм………….8 – 13
Бета-ритм……………14 – 35
Гамма-ритм………….35 – 55
Амплитуда этих импульсов находиться в пределах 500 мкВ. Получить такие импульсы от зарядоносителей только ионного типа невозможно. Электрохимические источники тока инерционны. Таких изменений электрических величин во времени, даже при малых амплитудах ионной проводимости непосредственно не получится. Это уже может быть отнесено к прямым доказательствам наличия в мозгу и нервной системе в целом электронного движения зарядоносителей.
И не случайно эффективность метода дефибрилляции сердца связывают с формой кривой импульса подаваемого напряжения, а также его спектральной плотностью. Таким образом, при дефибрилляции происходит упорядочение, восстановление присущего всему живому движения зарядоносителей – восстановление электропроводимости.
Авторы дефибрилляционного метода восстановления предполагают, что при подаче напряжения на электроды, наложенные на область сердца, импульсы будут действовать непосредственно на сердечную мышцу. Не отрицая возможности такого положения, необходимо добавить, что имеет место также воздействие импульсов на сердце через центральную нервную систему, по которой импульс тока достигает жизненно важных регулирующих центров нервной системы. Нервная система обладает значительно большей проводимостью, чем мышечная ткань и система кровообращения; она взаимодействует со всем, что обуславливает жизнедеятельность, намного опережая другие системы организма по быстроте реакции на любой, и в первую очередь электрический раздражитель. Таким образом, доминирующим в процессе восстановления последовательности сокращения сердца лежит восстановление специфического движения зарядоносителей, присущего живому.
Далее, уже давно обнаружено резкое изменение сопротивления по действием внезапных раздражающих факторов. Например, при испуге, резкой вспышке света, взрыве сопротивление тела человека резко уменьшается. При этом восстановление сопротивления к его первоначальному уровню происходит довольно медленно, при этом наблюдается зависимость от характера раздражения. Если бы тело человека обладало только ионной проводимостью электролита, т.е. проводимостью, связанной с переносом вещества, то процесс изменения электрического сопротивления проходил бы гораздо медленнее. Быстрое изменение сопротивления может объясниться только наличием в «суммарном» электрического сопротивлении сопротивления, обусловленного той или иной электронной проводимости. Новые достижения электротехники соответственно расширили возможности исследования «животного» электричества. Итальянский физик Маттеучи, применив созданный к тому времени гальванометр, доказал, что при жизнедеятельности мышцы возникает электрический потенциал. Разрезав мышцу поперек волокон, он соединил поперечный разрез ее с одним из полюсов гальванометра, а продольную поверхность – с другим и получил потенциал в пределах 10 – 80 мВ. Значение потенциала обусловлено видом мышц. Затем французский физик Пельтье опубликовал результаты работы по исследованию взаимодействия биопотенциалов с протекающим по живой ткани постоянным током. Оказалось, что полярность биопотенциалов при этом меняется. Изменяются и амплитуды биопотенциалов, и частоты возникающих импульсов.
