3.Електричні явища і організм людини.
Одна з найбільш важливих функцій живого організму – властивість реагувати на зміни навколишнього середовища, що називається подразненням. Наприклад, одноклітинні організми здатні реагувати на зміну температури чи освітлення за допомогою механічних рухів (амебоїдний рух, рух війок та джгутиків). Найвищого розвитку передача подразнень досягає у тварин та людей, що мають спеціалізовані клітини, які утворюють нервову тканину. Нервові тканини-нейрони пристосовані до швидкої і специфічної відповіді на різноманітні подразнення, що потрапляють із зовнішнього середовища і тканин самого організму. Отримання та передача подразнень відбувається за допомогою електричних імпульсів, які поширюються певними шляхами. У процесі ембріонального розвитку з тіла нервової клітини виростає довгий відросток – аксон, що утворює дещо подібне до телеграфного дроту для передачі інформації. У дорослої людини довжина аксона може досягати 1-1,5 м при товщині 0,01 мм. Іноді аксони порівнюють з електричними дротами, але насправді все відбувається не зовсім так. У той час, як у мідному дроті струм поширюється зі швидкістю, близькою до швидкості світла, в аксоні електричний імпульс проходить зі швидкістю від кількох до 100 м/с. Електричний опір речовини аксона майже в сто мільйонів разів більший, ніж у мідного дроту. Крім того, ізолююча здатність зовнішньої мембрани аксона в один мільйон разів слабша, ніж у звичайного електричного кабеля. Проаналізуємо, як поширюється електричний сигнал по нервовій клітині (нейрону). Схема будови нейрона дана на рисунку.
Розглянемо поширення електричного сигналу по аксону. Перебуваючи у звичайному стані в разі відсутності порушення, мембрана аксона добре проникна для іонів калію і погано – для іонів натрію та хлору, у розглянутому стані аксон по всій своїй довжині буде мати негативний потенціал відносно оточуючої його оболонки. Мембрана аксона має цікаву властивість: якщо за допомогою зовнішнього поля знижувати різницю потенціалів між аксоном і його оболонкою, мембрана буде ставати проникною для іонів натрію, причому більшою мірою і настільки, наскільки меншою виявиться різниця потенціалів. Тепер уявімо собі, що на верхній кінець аксона надійшов електричний сигнал, що трохи зрушив у цьому місці потенціал аксона в позитивний бік (інтенсивність такого сигналу повинна бути вище деякого граничного значення). Мембрана аксона в даному місці «просвітлиться» для іонів натрію, і, оскільки концентрація цих іонів поза клітиною, зазвичай, вища, вони почнуть потроху дифундувати усередину клітини. У результаті потенціал аксона ще сильніше зрушиться в позитивний бік, мембрана ще більш «просвітлиться» для натрію, приплив цих іонів усередину клітини ще більшою мірою підсилиться. Таким чином, первісний сигнал відіграє роль своєрідного «спускового гачка», що пускає в хід взаємопосилюючі один одного процеси, наслідком чого буде зміна негативного потенціалу верхнього кінця аксона на позитивний. Границя ділянки аксона, де відбулася зміна знака потенціалу, буде розширюватися, адже зміна різниці потенціалів у ньому неминуче призводитиме до зміни натрієвої проникності мембрани на сусідніх ділянках. У той же час після того, як іони натрію закінчили на даній ділянці своє переміщення усередину аксона, відновлюються колишні властивості мембрани і, як наслідок, відновлюється колишній потенціал аксона. Таким чином, по аксону поширюється «сплеск» позитивного потенціалу, який є електричним сигналом, що несе м'язам команду скорочуватися. На все це потрібен час порядку мілісекунди, по проходженні цього часу аксон знову набуває вихідного стану і готовий до «транспортування» наступного імпульсу. Зазначені електричні явища і процеси можливі завдяки тому, що оболонка аксона розділяє два водних розчини, що мають майже однакову електропровідність, але різний хімічний склад. У зовнішньому розчині більше 90 % заряджених частинок являють собою іони натрію (Na+) і хлору (Cl-). У розчині всередині клітини основну частину позитивних іонів складають іони калію (К+), а негативних – великі органічні іони. Концентрація іонів натрію ззовні клітини в 10 разів вища, ніж всередині, а концентрація іонів калію всередині в 30 разів вища, ніж ззовні. Коли мембрана перебуває в незбудженому стані, для неї характерна висока проникність для калію і незначна проникність для натрію. Унаслідок великого градієнта концентрації іони калію виходять з аксона назовні. В результаті виникає різниця потенціалів близько 60 мВ, причому внутрішня складова клітини заряджена негативно відносно зовнішнього розчину. Цю різницю потенціалів називають потенціалом спокою нервової клітини. Будь-яка зміна проникності мембрани для одного з іонів може призвести до зміни потенціалу. Саме це й відбувається, коли по аксону проходить електричний імпульс. Якщо подразнювати аксон дуже слабким електричним струмом, він затухає, пройшовши по волокну кілька міліметрів. Якщо збільшувати інтенсивність електричного сигналу, прикладеного до мембрани нервової клітини, то, починаючи з деякого рівня, сигнал вже не затухає. Струм понижує потенціал спокою в точці, по якій він проходить, і потенціал спокою падає до нуля; мембрана деполяризується. Як реакція на зниження потенціалу проникність мембрани для натрію значно збільшується. Це призводить до подальшого зниження потенціалу. Іони натрію спрямовують свій рух із зовнішньої рідини всередину аксона, внаслідок чого негативний потенціал близько 60 мВ замінюється позитивним близько 50мВ. Цей новий стан означає виникнення потенціалу дії. Аксон генерує свій власний імпульс, який поширюється з постійною швидкістю по всій його довжині. Після виникнення потенціалу дії проникність мембрани для натрію знижується, а для калію зростає, після чого потенціал на цьому проміжку повертається до рівня спокою.
Список використаних джерел:
1. Бузько В. Л. Інтеграція знань з фізики і біології у процесі вивчення електромагнітних явищ у 9-му класі загальноосвітньої школи / В. Л. Бузько, С. П. Величко / Збірник наукових праць Кам'янець-Подільського національного університету. Серія педагогічна / [редкол.: П.С. Атаманчук. — Кам’янець - Подільський: Кам’янець - Подільський національний університет імені Івана Огієнка, 2009. — Вип. 15: Управління якістю підготовки майбутніх учителів фізики та трудового навчання. — 352 с.
2.Тарасов Л.В.Физика в природе.—М.: Просвещение, 1988.
