Экология. Рациональное природопользование и безопасность жизнедеятельности. Часть 1
Не исключено, что
тяготение и электричество связаны достаточно тесно, в частности
изящная попытка сочетать электричество с тяготением предпри-
нята в единой теории поля. Образование Земли и других планет
часто объясняют с помощью теории тяготения, оставляя за скоб-
ками роль электромагнитных полей (ЭМП).
Рассмотрев отталкивание двух элементарных зарядов, напри-
мер электронов (электрическая сила), и их притяжение (сила тяго-
тения), получим отношение гравитационного притяжения к элек-
трическому отталкиванию. Это отношение не зависит от расстоя-
ния и является фундаментальной, мировой константой, равной
\'/4,17 • Ю42, то есть электрическая сила в колоссальное число раз
превышает тяготение. Правда, эта оценка справедлива только для
двух электронов. Для макротел соотношение гравитационной и
электрической сил определить достаточно сложно вследствие про-
странственного распределения заряда по поверхности взаимодей-
ствующих тел при сохранении центра масс.
Существование двух сортов «вещества», положительного и от-
рицательного, приводит к тому, что одинаковые сорта отталкива-
ются, то есть если все вещество содержит только положительное
(или отрицательное) электричество, то оно отталкивается и разле-
тается в разные стороны. Однако если положительное и отрица-
тельное перемешать поровну, то вещество с огромной силой будет
сжиматься за счет сил притяжения, и в итоге эти невероятные
силы почти нацело сбалансируются, образуя единое вещество, где
не будет ощущаться ни электрического притяжения, ни отталки-
вания. Если баланс сил совершенен, то результирующая сила рав-
на нулю и внешнее электрическое воздействие на данном вещест-
ве не сказывается. Однако жизнь потому и существует, что баланса
электрических сил нет. ЭМП вблизи любого биообъекта и внутри
него определяется его заряженными составляющими с учетом вза-
имного влияния внешних и внутренних факторов и, в частности,
влияния вторичных токов и зарядов на первичные. Однако в от-
сутствие существенного обратного влияния облучаемых объектов
на излучатели, например при достаточно большом расстоянии ме-
жду ними, биообъекты можно рассматривать вне связи с излучате-
36 \' .
I
, считая его поле заданным. В этом приближении анализирует-
ся большинство практических задач расчета электромагнитных
полей в различных биологических объектах, которые достаточно
точно описываются гармоническими полями, представленными
двумя уравнениями Максвелла:
rot?(co) = - йощЖш), A.13)
гоШ(а) = /соеДш). A.14)
Здесь Доо) и Я(ю) — соответственно комплексные амплитуды
напряженностей электрического и магнитного полей в проводя-
щей диэлектрической среде; е — обобщенная диэлектрическая
проницаемость изучаемого биологического объекта (или ткани)
на частоте внешнего поля ю; е = е,- — /ст/(сое0); / — мнимая едини-
ца; ?/ — диэлектрическая проницаемость при со = 0; а — проводи-
мость изучаемого объекта; г0 и ц0 — соответственно электрическая
и магнитная постоянные вакуума.
Таким образом, расчет напряженности ЭМП для любых био-
логических жидкостей и тканей, составляющих биообъект, прак-
тически сводится к определению обобщенной диэлектрической
проницаемости (е) на частоте внешнего поля и проводимости (ст)
изучаемых биологических жидкостей и тканей.
Так как любые перемещения электронов или ионов сопровож-
даются возникновением ЭМП, то фактически все жизненные про-
цессы дублируются на электромагнитном уровне, причем со спе-
цифическими для них характеристиками частоты и интенсивно-
сти ЭМП. По закону сохранения энергии и вещества и их взаимо-
превращения, в соответствии со вторым законом термодинамики
возможно обращение любых процессов при избытке определен-
ных компонентов. Весьма вероятно, что внешние влияния на
электронные потоки будут вызывать обращение тех или иных фи-
зиологических реакций, с которыми они связаны, а именно уско-
рять или тормозить транспорт веществ, способствовать синтезу
определенного типа молекул, в том числе ДНК, и т. д. В настоящее
вРемя многие физиотерапевтические процедуры активно исполь-
3Укуг этот путь влияния на организм (например, упомянутая выше
лектротерапия), хотя теория в данном случае мало разработана и
Фактически имеет место лишь эмпирическое накопление мате-
риала.
\' ¦ ¦. , \' ¦ \' .-¦•\'. ¦ \' 37
NaT
-*- / /
0 *
Рис. 1.10. Схема распространения потенциала по нервному волокну
Особое место в электромагнитной природе биопроцессов за-
нимает потенциал действия, возникающий в живой ткани на меж-
клеточной мембране при возбуждении нервных клеток между
внутриклеточной средой и окружающим раствором (аксоплаз-
мой).
Механизм распространения потенциала действия заключается
в деполяризации нервной мембраны, возникающей под действием
разности потенциалов между участком в области возбуждения и
соседним невозбужденным участком. В результате в аксоплазме
начинает протекать ток, который в свою очередь приводит к сни-
жению потенциала на мембране на величину AV (при х = 0
AF= Vo), которая зависит от координаты х. Если деполяризация
AFb данной точке х окажется больше порога возбуждения Vt, про-
изойдет возбуждение мембраны, проявляющееся в появлении
ионных токов через мембрану.
Рассмотрим зависимость потенциала на мембране от времени
на участке нерва, расположенном на расстоянии х от начала отсче-
та и имеющего протяженность dx (рис. 1.10).
Согласно принятой схеме площадь мембраны участка нерва
длиной dx равна dS = 2nr dx, где г — радиус нервного волокна. Со-
противление участка мембраны постоянному току равно ^- , где
dS
/—толщина мембраны (/ « г), рт — удельное сопротивление
мембраны. Тогда плотность мембранного тока в стационарном рс
38 ,..,.¦ \' .:: ,: ¦¦..-. ¦¦ . - \': ;.|
иМе (/i) связана с сопротивлением участка и потенциалом А Рза-
Ома:
Однако наряду с активным сопротивлением мембрана площа-
дью dSобладает емкостью CmdS(Cm — емкость единицы площади
мембраны, Ф/м2). В этом случае плотность емкостного тока через
мембрану
. =с dAF A.16)
Общая плотность тока через мембрану
Из рис. 1.10 видно, что сила тока в аксоплазме убывает с ростом
х, поскольку часть тока im, ответвляется и уходит через мембрану.
Если эта убыль силы тока — dxia (нижний индекс «х» обозначает ча-
стный дифференциал, /0 — ток внутри аксона вдоль оси х) на уча-
стке аксоплазмы протяженностью dx, то она равна силе тока, вы-
ходящего через мембрану на этом участке:
=J±*A A-18)
dx 2nr dx
Если на участке dx сопротивление аксоплазмы dRa, то на этом
участке падение напряжения
... . -яг2 dAK A.19)
iodRa или ia= —, v \'
ГДе Ра — удельное сопротивление аксоплазмы (Ом • м).
В A.19) характеризует зависимость потенциала AFot ko-
dx
°РДинаты в данный момент времени. Продифференцировав урав-
НеНие A.19) по х и подставив полученное выражение в A.18), полу-
Чим
(L2°)
39
-«Подставив в A.20) выражение^ из A.17), получим:
• \' йгАУ _2ра( dAK AV) A.21)
Из A.21) следует, что потенциал ДГв точке х зависит как от
времени, так и от координаты. Это уравнение позволяет оценить
изменение потенциала по ходу волокна после установления ста-
ционарного режима (/ -»оо; d&V/dt=0):
Уоё-*, A.22)
где X — константа длины нервного волокна
х=.\'-к. а23)
Скорость распространения потенциала действия по нервному
волокну зависит от того, как быстро потенциал Vo в точке х = 0 бу-
дет снижаться по мере удаления от этой точки. Из уравнения A.23)
следует, что X увеличивается с увеличением размеров аксона г, тол-
щины мембраны / и удельного сопротивления вещества мембраны
рт, но уменьшается с ростом ра.
Все организмы жизненно заинтересованы в высокой скорости
проведения нервного импульса по нерву, а значит, в высоких зна-
чениях X. Повлиять на ра трудно, так как оно зависит от электро-
литного состава протоплазмы, который примерно одинаков у всех
видов животных. Толщина и состав мембраны нервного волокна
обеспечивают высокие значения X. Нарушение структуры мем-
бран приводит к нарушениям расспространения нервного возбуж-
дения по нервам и к тяжелым расстройствам в функционировании
нервной системы животных и человека. Однако это тема специ-
ального рассмотрения, выходящего за рамки книги.
Вернемся к рассмотрению электромагнитной природы био-
процессов. Отметим, что в результате движения электронов и
ионов в соответствующих структурах биообъекта помимо собст-
венного электрического поля возникают локальные магнитные
поля, характеризующиеся магнитной силой, зависящей от скоро-
сти движения зарядов.
тяготение и электричество связаны достаточно тесно, в частности
изящная попытка сочетать электричество с тяготением предпри-
нята в единой теории поля. Образование Земли и других планет
часто объясняют с помощью теории тяготения, оставляя за скоб-
ками роль электромагнитных полей (ЭМП).
Рассмотрев отталкивание двух элементарных зарядов, напри-
мер электронов (электрическая сила), и их притяжение (сила тяго-
тения), получим отношение гравитационного притяжения к элек-
трическому отталкиванию. Это отношение не зависит от расстоя-
ния и является фундаментальной, мировой константой, равной
\'/4,17 • Ю42, то есть электрическая сила в колоссальное число раз
превышает тяготение. Правда, эта оценка справедлива только для
двух электронов. Для макротел соотношение гравитационной и
электрической сил определить достаточно сложно вследствие про-
странственного распределения заряда по поверхности взаимодей-
ствующих тел при сохранении центра масс.
Существование двух сортов «вещества», положительного и от-
рицательного, приводит к тому, что одинаковые сорта отталкива-
ются, то есть если все вещество содержит только положительное
(или отрицательное) электричество, то оно отталкивается и разле-
тается в разные стороны. Однако если положительное и отрица-
тельное перемешать поровну, то вещество с огромной силой будет
сжиматься за счет сил притяжения, и в итоге эти невероятные
силы почти нацело сбалансируются, образуя единое вещество, где
не будет ощущаться ни электрического притяжения, ни отталки-
вания. Если баланс сил совершенен, то результирующая сила рав-
на нулю и внешнее электрическое воздействие на данном вещест-
ве не сказывается. Однако жизнь потому и существует, что баланса
электрических сил нет. ЭМП вблизи любого биообъекта и внутри
него определяется его заряженными составляющими с учетом вза-
имного влияния внешних и внутренних факторов и, в частности,
влияния вторичных токов и зарядов на первичные. Однако в от-
сутствие существенного обратного влияния облучаемых объектов
на излучатели, например при достаточно большом расстоянии ме-
жду ними, биообъекты можно рассматривать вне связи с излучате-
36 \' .
I
, считая его поле заданным. В этом приближении анализирует-
ся большинство практических задач расчета электромагнитных
полей в различных биологических объектах, которые достаточно
точно описываются гармоническими полями, представленными
двумя уравнениями Максвелла:
rot?(co) = - йощЖш), A.13)
гоШ(а) = /соеДш). A.14)
Здесь Доо) и Я(ю) — соответственно комплексные амплитуды
напряженностей электрического и магнитного полей в проводя-
щей диэлектрической среде; е — обобщенная диэлектрическая
проницаемость изучаемого биологического объекта (или ткани)
на частоте внешнего поля ю; е = е,- — /ст/(сое0); / — мнимая едини-
ца; ?/ — диэлектрическая проницаемость при со = 0; а — проводи-
мость изучаемого объекта; г0 и ц0 — соответственно электрическая
и магнитная постоянные вакуума.
Таким образом, расчет напряженности ЭМП для любых био-
логических жидкостей и тканей, составляющих биообъект, прак-
тически сводится к определению обобщенной диэлектрической
проницаемости (е) на частоте внешнего поля и проводимости (ст)
изучаемых биологических жидкостей и тканей.
Так как любые перемещения электронов или ионов сопровож-
даются возникновением ЭМП, то фактически все жизненные про-
цессы дублируются на электромагнитном уровне, причем со спе-
цифическими для них характеристиками частоты и интенсивно-
сти ЭМП. По закону сохранения энергии и вещества и их взаимо-
превращения, в соответствии со вторым законом термодинамики
возможно обращение любых процессов при избытке определен-
ных компонентов. Весьма вероятно, что внешние влияния на
электронные потоки будут вызывать обращение тех или иных фи-
зиологических реакций, с которыми они связаны, а именно уско-
рять или тормозить транспорт веществ, способствовать синтезу
определенного типа молекул, в том числе ДНК, и т. д. В настоящее
вРемя многие физиотерапевтические процедуры активно исполь-
3Укуг этот путь влияния на организм (например, упомянутая выше
лектротерапия), хотя теория в данном случае мало разработана и
Фактически имеет место лишь эмпирическое накопление мате-
риала.
\' ¦ ¦. , \' ¦ \' .-¦•\'. ¦ \' 37
NaT
-*- / /
0 *
Рис. 1.10. Схема распространения потенциала по нервному волокну
Особое место в электромагнитной природе биопроцессов за-
нимает потенциал действия, возникающий в живой ткани на меж-
клеточной мембране при возбуждении нервных клеток между
внутриклеточной средой и окружающим раствором (аксоплаз-
мой).
Механизм распространения потенциала действия заключается
в деполяризации нервной мембраны, возникающей под действием
разности потенциалов между участком в области возбуждения и
соседним невозбужденным участком. В результате в аксоплазме
начинает протекать ток, который в свою очередь приводит к сни-
жению потенциала на мембране на величину AV (при х = 0
AF= Vo), которая зависит от координаты х. Если деполяризация
AFb данной точке х окажется больше порога возбуждения Vt, про-
изойдет возбуждение мембраны, проявляющееся в появлении
ионных токов через мембрану.
Рассмотрим зависимость потенциала на мембране от времени
на участке нерва, расположенном на расстоянии х от начала отсче-
та и имеющего протяженность dx (рис. 1.10).
Согласно принятой схеме площадь мембраны участка нерва
длиной dx равна dS = 2nr dx, где г — радиус нервного волокна. Со-
противление участка мембраны постоянному току равно ^- , где
dS
/—толщина мембраны (/ « г), рт — удельное сопротивление
мембраны. Тогда плотность мембранного тока в стационарном рс
38 ,..,.¦ \' .:: ,: ¦¦..-. ¦¦ . - \': ;.|
иМе (/i) связана с сопротивлением участка и потенциалом А Рза-
Ома:
Однако наряду с активным сопротивлением мембрана площа-
дью dSобладает емкостью CmdS(Cm — емкость единицы площади
мембраны, Ф/м2). В этом случае плотность емкостного тока через
мембрану
. =с dAF A.16)
Общая плотность тока через мембрану
Из рис. 1.10 видно, что сила тока в аксоплазме убывает с ростом
х, поскольку часть тока im, ответвляется и уходит через мембрану.
Если эта убыль силы тока — dxia (нижний индекс «х» обозначает ча-
стный дифференциал, /0 — ток внутри аксона вдоль оси х) на уча-
стке аксоплазмы протяженностью dx, то она равна силе тока, вы-
ходящего через мембрану на этом участке:
=J±*A A-18)
dx 2nr dx
Если на участке dx сопротивление аксоплазмы dRa, то на этом
участке падение напряжения
... . -яг2 dAK A.19)
iodRa или ia= —, v \'
ГДе Ра — удельное сопротивление аксоплазмы (Ом • м).
В A.19) характеризует зависимость потенциала AFot ko-
dx
°РДинаты в данный момент времени. Продифференцировав урав-
НеНие A.19) по х и подставив полученное выражение в A.18), полу-
Чим
(L2°)
39
-«Подставив в A.20) выражение^ из A.17), получим:
• \' йгАУ _2ра( dAK AV) A.21)
Из A.21) следует, что потенциал ДГв точке х зависит как от
времени, так и от координаты. Это уравнение позволяет оценить
изменение потенциала по ходу волокна после установления ста-
ционарного режима (/ -»оо; d&V/dt=0):
Уоё-*, A.22)
где X — константа длины нервного волокна
х=.\'-к. а23)
Скорость распространения потенциала действия по нервному
волокну зависит от того, как быстро потенциал Vo в точке х = 0 бу-
дет снижаться по мере удаления от этой точки. Из уравнения A.23)
следует, что X увеличивается с увеличением размеров аксона г, тол-
щины мембраны / и удельного сопротивления вещества мембраны
рт, но уменьшается с ростом ра.
Все организмы жизненно заинтересованы в высокой скорости
проведения нервного импульса по нерву, а значит, в высоких зна-
чениях X. Повлиять на ра трудно, так как оно зависит от электро-
литного состава протоплазмы, который примерно одинаков у всех
видов животных. Толщина и состав мембраны нервного волокна
обеспечивают высокие значения X. Нарушение структуры мем-
бран приводит к нарушениям расспространения нервного возбуж-
дения по нервам и к тяжелым расстройствам в функционировании
нервной системы животных и человека. Однако это тема специ-
ального рассмотрения, выходящего за рамки книги.
Вернемся к рассмотрению электромагнитной природы био-
процессов. Отметим, что в результате движения электронов и
ионов в соответствующих структурах биообъекта помимо собст-
венного электрического поля возникают локальные магнитные
поля, характеризующиеся магнитной силой, зависящей от скоро-
сти движения зарядов.