Электрокинетические явления в живом организме

По страницам «Ученых записок» прошлых лет

УДК 541 ББК Г 574

С.И. Василов Электрокинетические явления в живом организме1

В статье рассматриваются электрокинетические явления в живом организме, в частности в костных тканях, в кровеносной системе живого организма.

Ключевые слова: электрокинетические явления, костная ткань, кровеносная система.

S.I. Vassilov Electrokinetic Phenomena in the Living Organism

The article deals with electrokinetic phenomena in the living organism, in its bone tissue and blood-vascular system particularly.

Key words: electrokinetic phenomena, bone tissue, blood-vascular system.

В мембранах неживой природы существует область физико-химических явлений, объединенных под общим названием электрокинетические явления.

В 1809 году отечественный ученый проф. Рейс обнаружил в опыте с куском влажной глины, что вода начинает двигаться, когда он прилагал к глине разность потенциалов. Это движение воды под влиянием приложенного электрического поля, происходящее внутри капилляров твердого тела по направлению к катоду, получило название электроосмоса. Он же наблюдал и обратное явление: взвешенные частицы глины под влиянием того же электрического поля двигались по направлению к аноду. Это явление названо катафорезом или электрофорезом.

Спустя 50 лет Квинке, продавливая воду через влажную глиняную диафрагму, обнаружил, что глина приобретала разность потенциалов.

1 Опубликовано ранее в журнале «Ученые записки ЧГПИ». Вып. 2. - Чита, 1958.

Эту же разность потенциалов он получил при падении частичек глины в воде. Соответственно эти два явления получили название: первое — потенциалы истечения, второе — потенциалы переноса.

Эти четыре явления объясняются образованием двойного электрического слоя на поверхности твердой фазы (стенки капилляра или дисперсной частицы) при ее соприкосновении с жидкостью.

Теория возникновения потенциала на поверхности металлического электрода была разработана Нернстом. В основу этой теории он положил термодинамические расчеты. Нернст нашел, что величина и знак термодинамического потенциала зависят от электролитической упругости растворения и концентрации ионов металла. Термин «термодинамический» потенциал принят в физической и коллоидной химии. Впервые теорию образования двойного электрического слоя выдвинул Гельмгольц (1879). Он считал, что при соприкосновении твердого тела с жидкостью на поверхности этого тела образуется двойной электрический слой (своеобразный конденсатор). Одна из обкладок этого слоя находится на самой поверхности твердой стенки, а другая в жидкости на расстоянии, равном диаметру молекулы. Твердая стенка адсорбировала ионы отрицательного знака, а положительные ионы находятся в жидкости. Почему эти положительные ионы в виде мономолекулярного слоя удерживаются на некотором расстоянии в жидкости, Гельмгольц не объяснил.

Дальнейшее развитие этой теории дал Гуи (1910). Он считал, что мономолекулярный слой ионов, находящихся в жидкости, в результате теплового движения не сохраняется. Часть ионов удаляется от поверхности раздела, образуя диффузный слой. Распределение ионов в этом диффузном слое напоминает распределение плотности атмосферы вокруг Земли:

Мд Ь

РЬ = Р01

где PH — число молекул в единице объема на высоте Н над рассматриваемой плоскостью, Ро — число молекул в единице объема на уровне

рассматриваемой плоскости, к — высота, Т — абсолютная температура газа, g — ускорение силы тяжести, Я — универсальная газовая постоянная, М — масса моля газа. Барометрическая формула была применена Перреном в его работе по определению числа Авогадро. Пер-рен предположил, что в случае горизонтального распределения частицы эмульсий ведут себя в окружающей их жидкости под действием силы тяжести подобно молекулам газа. С высотой концентрация эмульсии должна убывать согласно барометрической формуле, которая в измененном виде и была применена Перреном:

(д-а)и ,

-----—Я"

п = п01 кт

где п — число частиц в единице объема, Д — плотность жидкости, й — плотность частиц эмульсии, и — объем частицы, к — высота, к — постоянная Больцмана, Т — абсолютная температура. Гуи на основании указанных теоретических расчетов подсчитал распределение ионов во внешнем диффузном слое.

О. Штерн (1924) объединил теории Гельмгольца и Гуи: заряд металла расположен на его поверхности, а слой ионов, противоположно заряженных и находящихся в жидкости, он разбил на две части. Часть ионов в виде мономолекулярного слоя находится около поверхности металла, другая часть ионов находится на некотором расстоянии от поверхности в растворе, образуя диффузный слой. Таким образом, структура заряженного слоя около поверхности металла состоит из двух частей: внутреннего слоя Гельмгольца, напоминающего конденсатор, и внешнего слоя Гуи, имеющего диффузный характер. Более совершенная теория двойного слоя дана Штерном, однако и она страдает рядом недостатков. Как отмечает А. Фрумкин, теория Штерна не учитывает деформации ионов, точечной природы ионов, а также и того, что в самом металле заряды не лежат точно в одной плоскости, а имеют известное объемное распределение. При рассмотрении электрокинетических явлений вводят понятие электрокинетического потенциала или дзета-потенциала. Под этим термином понимают разность потенциалов, которая возникает при движении жидкости или твердых частичек относительно друг друга. При относительном движении твердой и жидкой фаз скольжение происходит не непосредственно у твердой поверхности, а на расстоянии от нее, примерно равном размеру молекулы.

Величина и знак дзета-потенциала, по теории Штерна, зависят от электростатических сил притяжения или отталкивания и диполь-ных сил адсорбции. Если имеются многовалентные ионы, обладающие большим адсорбционным потенциалом (дипольным моментом), то они могут проникнуть за поверхность скольжения в количествах, которые не только нейтрализуют ионы, адсорбируемые поверхностью твердой стенки, но и могут изменить знак дзета-потенциала.

Резюмируем кратко современные представления о механизме образования двойного электрического слоя: отрицательный заряд стенки связан либо с преимущественной адсорбцией анионов из раствора, или с диссоциацией катионов из твердой стенки. Положительные заряды образуют диффузный слой вблизи от стенки.

Электрокинетические явления довольно хорошо изучены на мембранах неживой природы. Этого нельзя сказать об изучении этих же явлений на мембранах живой природы.

Установить наличие электрокинетических явлений в различных тканях тела человека и животных представляет определенный практический и теоретический интерес.

Вследствие большого количества разнообразных тканей в организме человека изучение их представляет собой очень обширную для исследователя задачу. Поэтому мы решили осуществить более узкую задачу, остановив внимание на костных тканях.

На основании сопоставления решетчатой структуры зуба с пористыми мембранами неорганического происхождения было предпринято исследование, имевшее целью обнаружить в зубных тканях электрокинетические явления.

Теоретическими предпосылками к этому явилось следующее: зуб представляет из себя решётчатую структуру. Остов зуба состоит из губчатой упругой органической части, пропитанной солями, главным образом кальциевыми, придающими зубу твердость. В своем составе зуб содержит, частью в адсорбированном, частью в свободном состоянии, воду, в которой растворены соли, а также коллоиды.

Эта структура сближает зубную ткань со структурой хорошо изученных неорганических и органических мембран.

Автором еще в 1947 году был разработан метод декальцинации дентина зубов с помощью электродиализа. Шлифы зубов укреплялись воском в отверстии стеклянной пластин-

ки. Пластинку помещали в наполненный дистиллированной водой сосуд, таким образом, чтобы она разделяла последний на две изолированных части. Затем по обе стороны от пластинки, напротив вмонтированного в нее шлифа зуба помещали платиновые электроды. При пропускании постоянного тока из шлифа зуба удалялись как катионы, так и анионы, направлявшиеся к соответствующим полюсам. Было отмечено, что при электроосмосе вода перемещалась к катоду, вследствие чего уровень воды в соответствующей половине сосуда заметно попыта лся, поэтому зубы следует отнести к электроотрицательным мембранам.

Это обстоятельство побудило Васило-ва С. И. и Хесина Я. Е. использовать прохождение жидкости через вмонтированный в стеклянную перегородку шлиф для ускоренной фиксации костной ткани с одновременной декальцинацией ее с целью последующего гистологического изучения.

Метод заключался в том, что в отверстие стеклянной перегородки, вертикально разделяющей сосуд на две изолированные половины, парафином или воском укрепляется нефиксированный кусочек костной ткани с окружающими ее элементами. Обе половины сосуда наполняются 12% раствором нейтрального формалина. Затем по обе стороны от кусочка в раствор формалина погружают платиновые электроды, соединенные с вышрямите-лем, включаемым в городскую осветительную сеть. Напряжение на выходе поддерживалось 80 вольт. При замыкании цепи через испытуемый кусочек пропускается постоянный ток.

Указанным способом быпла проведена декальцинация 12 кусочков кости и целых костей, взятых от кошек и крыс. Параллельно такие же кусочки костной ткани от тех же животных декальцинировались обычным методом после предварительной фиксации формалином в 8% растворе азотной кислоты. Сравнение обычных способов декальцинации с предлагаемым методом выявило ряд преимуществ последнего. Время предварительной обработки кости перед заливкой в целлоидин сокращается в 6 — 8 раз. Электродекальцинация с одновременной фиксацией длится 1—5 суток, тогда как для фиксации таких же кусочков кости требуется 3 — 4 суток и для декальцинации их в растворе азотной кислоты еще 1 — 2 недели. Контроль за ходом декальцинации осуществляется по отложению кальция на катоде.

Опыты по обнаружению электрокинетических явлений на трубчатых костях человека были проведены автором в 1948 году. Трубчатые кости отнесены также к электроотрицательным мембранам.

Электрокинетические явления обнаружены у некоторых растений Забайкалья. По нашему заданию Вайсман и Синявская провели наблюдения и обнаружили явление электроосмоса и возникновение дзета-потенциалов у багульника и тополя. Указанные мембраны отнесены к электроотрицательным.

Обратимся в постановке вопроса о наблюдении тех же явлений в кровеносной системе живого организма. Предположительно можно себе представить три возможных причины происхождения электрических потенциалов в кровеносной системе живого организма:

1. Электрокинетические явления. 2. Различный: химический состав артериальной и венозной крови. 3. Работа сердца и других органов.

Методика эксперимента заключалась в следующем: в вену и артерию собаки вводились до середины диаметра сосуда платиновые электроды, которые изолировались от стенки кровеносных сосудов. В электрическую цепь включался зеркальный гальванометр. Исследования показали, что кровь в артериях большого круга кровообращения имеет положительный заряд, а кровь в венах несет отрицательный электрический заряд. Опыты были проведены на шести собаках с бедренной артерией и бедренной веной, а также с сонной артерией и яремной веной. Для выпяснения вопроса о влиянии стенки кровеносного сосуда на заряд мы отключали яремную вену и сонную артерию от капиллярной сети большого круга. Устраивался анастамоз между сонной артерией и яремной веной. Исследования производились в непосредственной близости анастамоза. Следовательно, по венам протекала артериальная кровь. Однако кровь в артерии была заряжена положительно, а в вене — отрицательно. Таким образом, заряд крови, надо полагать, частично обусловливается сосудом, по которому течет кровь. При вышуска-нии крови из артерии наружу кровь в артерии сохраняла положительный заряд, а в вене — отрицательный. По мере выпекания крови разность потенциалов постепенно уменьшалась. При появлении тромба разность потенциалов между кровью в артерии и вене становится равной нулю. При растяжении артерии вновь появлялась разность потенциалов:

кровь в артерии приобретала положительный заряд, а в вене — отрицательный.

При восстановлении первоначального положения (тромб оставался) разность потенциалов вновь становилась равной нулю. Промывание физиологическим раствором ликвидировало тромб, и кровь при своем движении приобрела первоначальные знаки зарядов. Введение в яремную вену адреналина (1 : 1000) в количестве 1 мл привело к перезарядке крови: кровь в сонной артерии приобрела отрицательный заряд, а в ярем-

ной вене — положительный. Перезарядка держалась в течение 50 минут. При этом вначале наблюдался цианоз, который постепенно прошел. Опыты показали наличие электрического заряда крови, текущей в артериях и венах, что можно частично объяснить возникновением потенциалов протекания. Возможно, что кроме электрокинетиче-ских явлений в возникновении потенциалов крови играют роль и другие факторы, в частности, большая активность артерий по сравнению с венами и др.

Список литературы

1. Hclmhltz. Ann. Phvsik, 7, 337,1879.

2. Кройт Г. Р. — Коллоиды, 1936, О.С. Молчановой.

3. Stern — Ztschr. Elekirochem. 30, 508 (1924).

4. Райдилл Ф. К. — Химия поверхностных явлений, 1936, стр. 291.

5. Фрумкин А. — Двойной слой в электрохимии, ж. Успехи химии, т. IV, в.7, 1935.

6. Тэйлор X. С. — Физическая химия, т.11, 1936, стр. 1585.

7. Василов С. И. — Сб. «Труды Молотовского государственного стоматологического института», в. 8, 1949,

стр. 67.

УДК 534.2 ББК В3

А. А. Кротова

Дифракция в слое со случайными неоднородностями1

В настоящей работе вычислены коэффициенты поперечной автокорреляции и средние квадраты флуктуации уровня и фазы волны, прошедшей через слой со случайными неоднородностями. Расчеты проведены в предположении, что излучатель и приемник находятся вне слоя толщины Lj. Предполагается также, что случайные отклонения показателя преломления от среднего значения малы, но сами неоднородности крупномасштабные, т. е. их размер велик по сравнению с длиной волны.

Ключевые слова: дифракция, слой со случайными неоднородностями.

A.A. Krotova

Diffraction in Random Nonhomogeneous Layer

The article presents cross autocorrelation coefficients and mean squares of fluctuation of wave

1 Опубликовано ранее в журнале «Ученые записки ЧГПИ». Вып. 2. - Чита, 1958.

phase passed through the random nonhomogeneous layer.

Key words: diffraction, random nonhomogene-ous layer.

Пусть координаты точки наблюдения, находящейся вне слоя, будут (L,O,O). В таком случае при указанных выше предположениях величина флуктуаций уровня (и фазы) и корреляционные функции могут быть подсчитаны с помощью формул А. М. Обухова [1] , полученных для волны, прошедшей в неоднородной среде некоторый путь X . Для нашего случая формулы А. М. Обухова могут быть записаны так:

^......,ь-^

S (L,O,O) = K0Ц|Ф1 (—£.,PMZ,п,Od&ridÇ

0 ад K 0

a Lл ад j -£

ln A ILO O = K 0 JJ $Ф2(~Г~ ’ p)^,v,Z)d&vdZ

0 5 5 0 -ад 0

ln-

где S(L,O,O) и A0L,O,O соответственно флуктуации фазы и уровня; L1 — толщина неоднородного слоя; Ç, n, Z — координаты рассеивающего объема, p(Ç, n, Z) — флуктуация пока-

A