У человека имеется несколько сотен разновидностей сенсорных устройств, сигнализаторов, это часто затрудняет выбор и универсальность этих приборов. У живых существ их всего несколько, но, тем не менее, они высокочувствительны при малых размерах и практически универсальны.
Рассмотрим строение «проводников» - нервов.
Нервы имеют сложное строение, но в целом его можно представить как кабель связи, собственно для того он и служит. При этом как провода с изоляцией бывают нервные волокна с оболочкой – миелиновым покрытием, так и провода без изоляции – волокна без покрытия. Но есть и некоторые различия: при передаче энергетического импульса по проволочке, материал, из которого изготовлен проводник, остается целым, в случае же прохождения импульса по нервному волокну, оно начинает последовательно разрушаться и восстанавливаться по пути следования импульса. Примерно представить себе это можно, если провести такой эксперимент. Если стальную проволочку натянуть в сосуде с 60 – 70% азотной кислотой, то очень скоро она покроется слоем окиси. Если после этого каким-либо «раздражителем» (электрическим током, например) нарушить целостность пленки окиси, то от места раздражения по «нерву» пробежит «волна возбуждения», о чем свидетельствует выделение пузырьков и почернение проволочки. После этого «нерв» возвращается в первоначальное состояние. Но для того чтобы по нерву пробежала волна импульсов, необходимо получить эти самые импульсы. Поэтому необходимо рассмотреть также и строение нервных клеток – нейронов.
Строение подробно описано в учебнике по биологии, так что не буду останавливаться на этом. Перейду сразу к функциям.
При возбуждении нерва изменяется обмен веществ: возрастает потребление кислорода и выделение углекислого газа и аммиака, увеличивается распад углеводов и богатых энергией молекул АТФ. Растет также и выделение тепловой энергии. Последнее очень невелико – одиночный импульс вызывает выделение тепла в количестве 2*10-10 кал/см2.
Но наиболее ярким проявлением процессов возбуждения в протоплазме являются изменения электрохимической активности.
Как описывалось выше, клетки способны вырабатывать энергию, в данном случае это связывается с различной концентрацией положительных и отрицательных ионов (калия и натрия). Ток покоя (или разность потенциалов между внешней и внутренней стороной мембраны) обычно равен 50 – 90 мВ. При возбуждении в мембране открывается проход, и ионы натрия поступают в клетку, что изменяет ее заряд на положительный. При генерации импульса все происходит наоборот. Амплитуда тока действия тела нейрона достигает обычно 80 – 110 мВ. После генерации тока действия наступает период полной невозбудимости, или иначе абсолютная рефрактерная фаза. Хотя и правильность этого вывода довольно сомнительна, его используют в науке, хотя все более устанавливается позиция электронная теория биопотенциалов.
Вернемся к нервам. Природа для увеличения скорости передачи импульса использует различные способы.
У нервов, не покрытых оболочкой, это осуществляется увеличением диаметра.
У покрытых же нервов, обладающих высоким сопротивлением, работает, кроме того, очень интересный механизм. Миелиновая оболочка не сплошная, она через определенные промежутки прерывается так называемыми перехватами Ранвье. Оказывается, возбуждение возникает только в этих перехватах и перебрасывается, скачет от перехвата к перехвату. Таким образом, сигнал в аксонах проводиться без затухания или, как говорят, бездекрементно.
Все время говорят: «Импульс передается к тому-то, импульс происходит в результате того-то и того-то», но ведь по нерву очень редко передаются одиночные импульсы, гораздо чаще информация передается пачками импульсов, причем различных как по частоте, так и по временному интервалу. Поэтому все импульсы различны и легко мозгу обнаружить и анализировать ощущения, в результате которых был подан сигнал. Таким же образом информация передается в различные участки нашего организма.
Нервные клетки обладают способностью «отвечать» на раздражение с постоянным ритмом. Поэтому вводится понятие лабильности, или физиологической подвижности, под которой понимается большая или меньшая скорость элементарных реакций, составляющих суть функциональной активности. За меру лабильности принимают наибольшее количество токов действия, которое данное возбудимое образование может воспроизводить в единицу времени синхронно с ритмом раздражения. В ходе экспериментов было выявлено очень интересное явление, при очень высокой частоте, нервные клетки сначала не успевают за ритмом, но постепенно они подтягиваются к нему и вскоре снова появляется синхронность. Все это очень напоминает работу некоторых электронных схем, или релаксационных генераторов, простейший из которых может быть выполнен на неоновой лампе, включенной последовательно конденсатору через понижающее сопротивление. Конденсатор периодически заряжается. В ходе разрядки ток через сопротивление попадает на неоновую лампу и заставляет ее вспыхивать.
Была высказана гипотеза о том, что торможение нервных реакций является последствием релаксационных колебаний таких генераторов, появляющихся в результате перегрузки нервных клеток высокоэнергетическими веществами. Таким образом нервная система действует наподобие компьютера: импульсы регуляции и импульсы-информаторы поступают не постоянно, а с некоей определенной частотой, которая, вполне может изменяться в зависимости от конкретных условий. Как было проверено на опытах, клетка, на которую было подано предварительное низкое напряжение, начинает гораздо быстрее (в 3 и более раз) воспринимать импульсы, поступающие извне.
Также известно то, что нервная система имеет связи со всеми ее составными частями. Было выявлено, что происходит наложение внешнего электрического тока на ток, протекающий по всем клеткам человека. При этом механизм наложения очень сильно отличается от наложения электрического тока на батарею от фонаря при химической реакции. В таком случае изменилась бы только скорость протекания реакции и незначительно остальные параметры. В случае с человеком происходят значительные изменения по всему организму. Попутно это доказывает, что регуляция осуществляется именно электрическими импульсами.
Влияние внешнего электрического тока на клетку и организм
Несколько веков назад впервые было описано поражение человека током при случайном соприкосновении с токоведущими частями. Смерть наступила мгновенно. Подобные случаи смерти, вызванной электрическим током, начали регистрировать и изучать; при этом по мере расширения применения электричества число их росло. Мнение было единое – смерть наступает мгновенно, без каких-либо, как правило, признаков существенных изменений на теле. Исключение составляли случаи, когда поражение сопровождалось ожогом электрической дуги.
Важно одно: при мгновенной смерти от электрического тока, по-видимому, имеет место нарушение электропроводимости центральной нервной системы, управляющей основными, жизненно необходимыми функциями организма.
Так как все реакции, происходящие внутри организма, регулируются импульсами электрического тока, то можно предположить, что изменение последовательности подачи импульсов, их амплитуды, частоты появления и влечет за собой изменения прежде всего на клеточном уровне. Объяснить это можно только нарушением движения зарядоносителей в клетках центральной и периферической нервной систем и их связях, которое может возникнуть в ряде случаев и при очень маленьких напряжениях и токах от внешних источниках напряжения, а это нарушение приводит к полному или частичному прекращению питания клеток кислородом. Выше было показано, что в сложных биополимерных системах, энергия связи между электронами и ядром очень мала. Она может достигать 0,01 эВ и даже меньше. При токе 1 мкА, прошедшем через тело человека при электротравме, в его тканях поглощается энергия, на много порядков превышающая энергию связи электронной структуры нервной системы, и поэтому есть все основания предполагать, что даже при очень малых токах может быть нарушена электропроводимость в организме, и, как следствие, могут наступить серьезные нарушения состояния человека. Вероятно, что в результате подобного изменения нарушается усваивание кислорода клеткой и она погибает. При этом для того, чтобы необратимые изменения наступили, необходимо совсем небольшое напряжение. Самое интересное заключается в том, почему при выполнении казни преступников посредством электрического стула используя большое напряжение (от 2000) и значительные силы тока смерть наступает через долгий промежуток времени. Для ускорения ее необходимо либо увеличить напряжение в несколько раз, либо прикладывать это же напряжение на долгий срок. Вероятно, что при подаче очень высокого напряжения включается своеобразный механизм защиты – весь организм или только кожа принимает свойство полупроводника обладать огромным сопротивлением при подаче обратного напряжения, причем тело человека всегда будет обладать наибольшим сопротивлением независимо от направления тока. Возможно так своеобразно действуют особые клетки, входящие в состав организма. Это служит доказательством специфической проводимости живого организма при несомненном наличии в ней электронной и электронно-дырочной проводимостей.
Но электрический ток обладает не только смертоносным действием. Он может и помогать людям. Например, в ходе экспериментов по взаимодействию биотоков человека и электрического тока был разработан аппарат под названием «Электросон». Его действие основано на прохождении через тело человека импульсов тока с частотой в несколько сотен килогерц небольшой амплитуды. Электроды при этом накладываются на области висков. Через несколько десятков секунд после включения электрического тока человек засыпает. Результаты ученых позволяют утверждать, что данный аппарат не оказывает побочного влияния на организм человека, в противоположность наркотическим средствам, применяемым для введения человека в состояние глубокого сна, необходимого для обезбаливания в процессе операции. Выход из сна в данном случае очень длителен и опасен, в то время как. отключив «электросон», пробуждение происходит течение нескольких минут без последствий для оперируемого.
Электроток может применяться и для введения лекарственных веществ через кожу. При этом процесс совершенно безболезненный и безвредный. Происходит он по свойствам электролиза. В данном случае электрический ток переносит ионы препарата в организм человека, не нарушая структуры его защитной оболочки. Называется это явление электрофорезом.
