Этап выдоха. 5 страница

Теория Эймура нашла свое подтверждение, что, в некоторых случаях, оказывалось возможным предсказывать запах веществ, исходя из формы их молекул. Так было синтезировано несколько органических веществ, была рассчитана их вероятная форма и предсказан их запах. Однако есть недостатки: острые и гнилостные запахи не вмещаются в стереохимическую схему. Для молекул, вызывающих острые и гнилостные запахи, форма и размер не имеют значения. Решающую роль играет электрический заряд. Острые едкие запахи свойственны тем соединениям молекулы, которые из-за нехватки электронов, имеют «+» заряд и сильное сродство к электронам. Гнилостные запахи, наоборот, вызываются молекулами, обладающими избытком электронов.

Необходимо заметить, что данная теория обходит молчанием вопрос о том, что происходит после попадания молекулы в соответствующую лунку на поверхности рецептора? С чем она взаимодействует в ней при этом? Теория не объясняет, как возникают потенциалы в ответ на заполнение лунок?

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА ТКАНЕЙ ОРГАНИЗМА

Современные преставления о магнитных свойствах живых тканей основаны на фактах о молекулярной организации БМ и, в значительно меньшей степени, на сведениях о кванотовомеханических свойствах физиологически активных молекул. Характеризуя электрические свойства живых тканей, следует учитывать, что они являются композиционными средами, поскольку одни структурные элементы обладают свойствами проводников, а другие - диэлектриков. Предполагают, что ряд биологически важных макромолекул проявляет полупроводниковые свойства.

ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ ЖИВЫХ ТКАНЕЙ

Электропроводность органов и тканей связана с присутствием в них ионов, которые являются свободными зарядами, создающими в организме ток проводимости под действием ЭМП, излучаемыми как внешними источниками, так и генерируемых живыми клетками. Электропроводность живых тканей определяется прежде всего электрическими свойствами крови, лимфы, межклеточной жидкости и цитозоля. Удельная электропроводность () этих электролитов составляет 0,1-1 . Подвижность ионов в биологических жидкостях примерно такая же, как в растворах соответствующих солей, приготовленных на дистиллированной воде.

Однако целых органов на 4-6 ниже жидкостей, выделенных из них. Причиной не совпадений результатов измерений являются малые объемы, занимаемые свободными электролитами в органах и тканях животных. В клетке электролиты заключены в мельчайшие отсеки (компартаменты), образованные БМ, составляющие более 50% массы клетки. По существу каждая клеточная органелла представляет собой компартамент. Ее содержимое и окружающий цитозоль обладают относительно высокой электропроводностью, тогда как разделяющая их мембрана является типичным диэлектриком.

Удельное сопротивление плазматических мембран измерить достаточно трудно, так как невозможно измерить толщину мембраны. В этой связи удается измерить только удельное поверхностное сопротивление. У различных клеток удельное поверхностное сопротивление изменяется в пределах от 0,4 до 30 .

Живым тканям свойственна зависимость электропроводности от частоты воздействующего ЭМП. Это явление получило название дисперсии электропроводности. С повышением частоты электропроводность тканей увеличивается. Дисперсия электропроводности присуща всем средам, а не только биологическим. Она наблюдается в том диапазоне частот ЭМП, которые соответствуют характеристическим частотам () заряженных частиц, входящих в состав той или иной среды. Поскольку однородные среды образованы частицами с близкими значениями , то дисперсия электропроводности в них выражена слабо. В этой связи сопротивление резисторов в цепях переменного тока называют активным, в отличие от реактивных сопротивлений емкости и индуктивности ( и ), которые гораздо сильнее зависят от частоты, чем R. По той же причине редко утверждается, будто дисперсия электропроводности – специфическое свойство биологических систем. На самом же деле у них зависимость гораздо отчетливее, чем у сред с менее сложной организацией, и обнаруживается в широком частотном диапазоне. Это обусловлено сложной мембранной структурой тканей и большим разнообразием релаксационных способностей их заряженных частиц, причем такое разнообразие связано, как с различием в размерах, так и с влияние на их подвижность БМ. Повреждение клеточных мембран стирает в значительной мере грань между тканями и органическими электролитами в дисперсии на низких частотах.

ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЖИВЫХ ТКАНЕЙ

Диэлектрические свойства биологических тканей определяются присутствием в них воды, растворенных в ней макромолекул, а также компартамезацией клеточных структур. Компартамезация, обеспечивая оптимальные условия для внутриклеточных биохимических процессов, вместе с тем придает живым тканям сегнетоэлектрические свойства. Показано, что физические среды, в которых чередуются слои очень низкой и высокой , обладают сегнетоэлектрическими свойствами, если по обе стороны каждого слоя с низкой присутствуют разные электрические заряды. Такие структуры подобны доменам с одинаковой ориентацией дипольных моментов. Цитозоль и содержимое многих органелл обладают относительно высокой , а БМ – крайне низкой (порядка ). Поэтому каждая органелла на БМ которой поддерживается разность потенциалов между цитозолем и ее содержимым, имеет значительный дипольный момент подобно домену в сегнетоэлектрике. За счет таких заряженных компартаментов живые ткани обладают высокой . В постоянном электрическом поле оно достигает десятка тысяч.

Как и всякому домену, каждому внутриклеточному компартаменту присуща не высокая характеристическая частота релаксации. Применительно к диполям соответствует максимальной частоте ЭМП, которую они способны воспроизвести своими поворотами в нем, за счет чего достигается максимально возможная компенсация внешнего поля собственным ЭП диэлектрика. Диапазон разных внутриклеточных компартаментов находиться в пределах от Гц до 1 кГц. Поэтому компартаменты вносят основной вклад в диэлектрические свойства биологических тканей именно на низких частотах.

На более высоких частотах диэлектрические свойства определяются полярными макромолекулами, сосредоточенными как в цитоплазме, так и в клеточных мембранах. В СВЧ полях основной вклад в эти свойства вносит вода.

У разных белковых молекул охватывает диапазон от 10 кГц до 100 мГц и зависит от их размеров, а также от вязкости окружающей среды. Эту зависимость выражает формула:

,

где K – постоянная Больцмана; T – температура среды, в которой вращаются молекулы, под действием ЭМП; - вязкость этой среды; -радиус полярной молекулы.

Важно отметить, что молекулы одинаковых размеров, пребывая в средах с разной вязкостью (например в цитозоле и БМ) обладают не одинаковой .

Характеристическая частота релаксации внутриклеточный воды такая же, как и дистиллированной (). Дипольные моменты у них также одинаковы (~1,84 дебая). Именно в воде, входящей в состав живых тканей, происходят основные диэлектрические потери при действии на организм СВЧ излучений поскольку совпадает частота сантиметровых радиоволн.

Неодинаковые величины разных тканевых компартаментов, способных поляризоваться в ЭМП, обуславливают неравномерный ход кривой , отображающей зависимость ткани от ЭМ колебаний, воздействующих на нее. На зависимости можно выделить три участка, где кривая идет круче, чем в промежутках. Эти участки называют зонами дисперсии (релаксации) и их обозначают греческими буквами .

Первый участок ( - дисперсия) соответствует низкочастотному диапазону до 1 кГц. Он обусловлен поляризацией внутриклеточных компартаментов, с которыми связаны сегнетоэлектрические свойства живых тканей. В силу значительной инерционности релаксационных процессов в доменах - компартаментах вращение этих гигантских диполей запаздывает относительно направления внешнего ЭМП даже на низких частотах, что проявляется в уменьшении по мере увеличения . Некоторый вклад в - дисперсию вносит релаксация зарядов на фасциях, внутриорганных соединительно тканных прослойках, клеточных поверхностях.

Второй участок ( - дисперсия) отображает изменение поляризации макромолекул по мере повышения частоты внешнего ЭМП. В скелетной мышце -дисперсия наблюдается в диапазоне частот от до Гц. Снижение по мере повышения в этом диапазоне зависит от того, что все менее крупные макромолекулы не успевают поворачиваться в соответствии с частотой внешнего ЭМП, когда она не успевает превосходить той или иной полярной молекулы. Очевидно, что Гц является частотой соответствующей наименее инерционных пептидных молекул.

Третий участок ( - дисперсия) приходиться на частоты выше Гц, чему соответствует . Поскольку воде свойственно несколько значений лежащих около 20 ГГц (явление многоструктурной воды), то изменение уменьшиться потому, что даже такие мелкие молекулы, как , не успевают совершать повороты с частотой, соответствующей частотному диапазону -дисперсии.

На более высоких частотах (до Гц) может проявляться электронная поляризация, характерная для атомов, и обусловленная смещением оболочек у атомов.

В живых тканях, ввиду того, что им наряду с электропроводностью присущи другие свойства, под действием внешнего ЭМП возникают и токи проводимости, и токи смещения. По мере повышения частоты ЭМП роль тока смещения в биологическом эффектах электромагнитного излучения возрастает и становиться ведущей на частоте выше Гц. Сказанное выше хорошо характеризует различные виды высокочастотной электротерапии: если при диатермин ( МГц) тепловой эффект связан прежде всего с током смещения.

Клеточные мембраны принято рассматривать по аналогии с диэлектриком в виде плоских конденсаторов. В этой связи поведение мембран при воздействии ЭМП характеризует электрическая емкость, приведенная к 1 мембранной поверхности. Эта величина () называется удельной емкостью БМ и имеет размерность . Очень велика плазмолемы гладкомышечного волокна млекопитающих - около 30 . Нервные волокна многих животных имеют плазматические мембраны, … которых находиться в пределах единиц .

Чтобы учесть зависимость энергетических преобразований на емкости от частоты внешнего ЭМП, используется понятие емкостного сопротивления:

Эта величина служит коэффициентом преобразования энергии внешнего ЭМП в электрическую энергию, накапливаемую конденсатором в течение половины периода воздействующих ЭМ колебаний. 4 см больше … БМ, тем меньший электрический заряд она способна удержать на себе и тем меньшая доля энергии внешнего ЭМП превратиться в электрическую энергию.

МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА ЖИВЫХ ТКАНЕЙ

Любая среда является одновременно электриком (проводником или диэлектриком) и магнитиком. Магнитные свойства биологических тканей характеризуются довольно низкой величиной магнитной проницаемости () близкой к 1, поскольку основные химические компоненты биосред (белки, углеводы, липиды, вода) относятся к диамагнетикам. Их почти нулевая магнитная восприимчивость () служит одной из причин недостаточного внимания к изучению магнитных процессов в организме. У человека обнаружены ферритинсодержащие включения (в надпочечниках). Их функции остаются не выясненными. Предполагают, что подобные ферромагнитные включения присутствуют в тканях пчел, бабочек, дельфинов, обеспечивая их пространственную ориентацию. Вопрос о ферромагнитных свойствах биологических систем далеко от его разрешения.

Вместе с тем в исследованиях биомагнетизма недостаточно учитывается важное положение электродинамики, согласно которому коэффициентом преобразования энергии ЭМП в магнитную энергию среды, подвергнутой его воздействию, является не сама по себе, а индуктивность, отображающая как собственно магнитные свойства, так и ее геометрические особенности. Даже диамагнетики способны осуществлять подобное преобразование довольно эффективно, если образуют структуры в форме катушек, по которым течет электрический ток, наведенный внешним полем. (Аналог магнитные поля катушек из медного провода) Для учета зависимости энергетических преобразований на индуктивности на частоте внешнего ЭМП введено понятие индуктивного сопротивления:

где - длина катушки, по которой течет ток; S - площадь каждого витка; n - число витков в катушке.

Оказалось, что 1 мембраны аксона кальмара толщиной примерно 10 нм имеет Гн. Такая индуктивность присуща медному проводу длиной в 1 милю (1600м), намотанный на железный сердечник массой в 1 фунт (~450гр). Это очень высокая индуктивность.

И все же биофизические основы биомагнитных явлений еще не изучены, хотя с давних пор люди верили в действие магнитных полей на биологические системы. О лечебных свойствах магнита писал Аристотель (IV в до н.э.) Гален (III в до н.э.) применял магнит как средство от запоров. Авиценна (XI в) воздействовал на патологические процессы в селезенке Парацельс (XIV в) применял магнит при многих болезнях, будучи уверенным в том, что «… магнит оттягивает грыжу и исцеляет перелом, вытягивает желтуху и оттягивает водянку».

С.П. Боткин в 70 годах прошлого века утверждал, что магнит может создавать ощущение зуда, покалывания или боли, восстанавливать нарушенную чувствительность кожи, купировать судороги, вызывать общую слабость и сонливость. В зависимости от исходного состояния пациента магнит зачастую приводил к эффектам, противоположным тем, на которые рассчитывал врач, например вместо ослабления боли усиливал ее.

Современная медицинская литература богата сообщениями о лечебном действии магнитного поля при атеросклерозе и гипертонической болезни, бронхиальной астме, неврозе и многих других патологических состояниях. Однако нельзя быть уверенным в том, что в благоприятном действии магнита нет больше доли психотерапевтического воздействия на больного самой процедурой магнитотерапии. До сих пор в биофизике нет достаточно обоснованной рабочей гипотезы, которую можно положить в основу научного изучения биомагнетизма.

ДИСПЕРСИЯ ИМПЕДАНСА ЖИВЫХ ТКАНЕЙ

Отражением современного состояния магнитобиологии является общепринятое мнение, будто электрический импеданс (полное сопротивление переменому току) живых тканей имеет только две состаляющие – резистивное и емкостное сопротивление:

Индуктивное сопротивление не учитывается.

Как и в электрических цепях, импеданс биологических систем зависит от частоты переменного тока. Для живых тканей характерно уменьшение импеданса по мере увеличения этой частоты. Зависимость Z от получила название дисперсии импеданса. Между дисперсиями электропроводности, диэлектрической проницаемости, о которых идет речь шла выше, и дисперсией импеданса существует связь, но это не идентичные процессы. Например, крутые и пологий участки дисперсий и Z в одной и той же ткани обычно не совпадают. Дисперсия импеданса отображает, очевидно, более широкий круг электромагнитных процессов в биологических системах (возможно и индуктивные свойства). Во всяком случае, она сильнее зависит от разнообразных нарушений жизнедеятельности тканей.

По кривой дисперсии импеданса возможно судить об уровне обмена веществ и его отклонениях от нормы. В медико-биологических экспериментах и клинике все шире применяется метод изучения дисперсии Z для оценки жизнеспособности органов и тканей. Обычно измеряют всего два значения Z: на низкой ( Гц) и высокой ( Гц) частотах, соответствующим тем частотным диапазонам, где кривая дисперсии импеданса идет более полого, чем на среднечастотном участке крутого спада. Отношение этих величин называют коэффициентом поляризации ():

где - импеданс на низкой частоте; – на высокой частоте.

Жизнеспособная ткань имеет , причем тем больше, чем выше уровень обмена веществ в данной ткани и чем лучше сохраняется ее структурная целостность. При отмирании ткани ее стремиться к 1.

Кроме используют, так называемый коэффициент частотной дисперсии ():

Метод исследования дисперсии импеданса применяют для оценки жизнеспособности тканевых трансплантантов при пересадке органов. Изучают возможности использования его для определения зон раневого процесса в ходе хирургической обработки раны, для характеристики ишемии, отека и т.д.

Широкое распространение в медицинской практике нашла методика реоплетизмографии. Посредством ее изучают активную составляющую импеданса (R), которая зависит прежде всего от кровенаполнения исследуемого органа. Чем больше крови содержится в органе, тем ниже (при прочих равных условиях) его электрическое сопротивление. Это позволяет оценивать органное кровообращение путем измерения R органа переменному току.

По динамике электрического сопротивления кожи судят о так называемых кожно-гальванических реакциях (КГР), в которых отображаются эмоции, утомление и другие состояния организма. Наконец специалисты в области рефлексотерапии измеряют электрическое сопротивление кожи для нахождения «активных точек», воздействие на которые оказывают разнообразные лечебные эффекты. Есть и другие применения в медицинской практике тех или иных способов измерения электрического импеданса, его составляющих и арсенал различных методов исследования электрических свойств биологических систем неуклонно нарастает.