Ученые записки ЗабГГПУ

6

 

По страницам «Ученых записок» прошлых лет  

 

УДК 541 ББК Г 574

С.И. Василов

Электрокинетические явления в живом организме1

В статье рассматриваются электрокине-

тические явления в живом организме, в ча-стности в костных тканях, в кровеносной системе живого организма.

Ключевые слова: электрокинетические яв-ления, костная ткань, кровеносная система.

S.I. Vassilov

Electrokinetic Phenomena

in the Living Organism

The article deals with electrokinetic phe-nomena in the living organism, in its bone tis-sue and blood-vascular system particularly.

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

В мембранах неживой природы существует

область физико-химических явлений, объеди-ненных под общим названием электрокинети-ческие 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 элек-трического поля двигались по направлению к аноду. Это явление названо катафорезом или электрофорезом.

Спустя 50 лет Квинке, продавливая воду че-рез 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 образова-нием двойного электрического слоя на по-верхности твердой фазы (стенки капилляра или дисперсной частицы) при ее соприкосно-вении с жидкостью.

Теория возникновения потенциала на по-верхности металлического электрода была разработана Нернстом. В основу этой теории он положил термодинамические расчеты. Нернст нашел, что величина и знак термоди-намического потенциала зависят от электро-литической упругости растворения и концен-трации ионов металла. Термин «термодина-мический» потенциал принят в физической и коллоидной химии. Впервые теорию образо-вания двойного электрического слоя выдвинул Гельмгольц (1879). Он считал, что при сопри-косновении твердого тела с жидкостью на по-верхности этого тела образуется двойной элек-трический слой (своеобразный конденсатор). Одна из обкладок этого слоя находится на са-мой поверхности твердой стенки, а другая в жидкости на расстоянии, равном диаметру молекулы. Твердая стенка адсорбировала ио-ны отрицательного знака, а положительные ионы находятся в жидкости. Почему эти по-ложительные 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 ио-нов удаляется от поверхности раздела, образуя диффузный слой. Распределение ионов в этом диффузном слое напоминает распределение плотности атмосферы вокруг Земли:

∫=

−h

0)h(T

dhR

Mg

0PPh l где Ph — число молекул в единице объема на высоте h над рассматриваемой плоскостью, Ро — число молекул в единице объема на уровне

Физика, математика, техника, технология

7

рассматриваемой плоскости, h — высота, Т — абсолютная температура газа, g — ускорение силы тяжести, R — универсальная газовая по-стоянная, М — масса моля газа. Барометриче-ская формула была применена Перреном в его работе по определению числа Авогадро. Пер-рен предположил, что в случае горизонтально-го распределения частицы эмульсий ведут се-бя в окружающей их жидкости под действием силы тяжести подобно молекулам газа. С высо-той концентрация эмульсии должна убывать согласно барометрической формуле, которая в измененном виде и была применена Перре-ном:

ghkT

d

nnυ)(

0

−Δ−

= l где п — число частиц в единице объема, Δ — плотность жидкости, d — плотность частиц эмульсии, υ — объем частицы, h — высота, k — постоянная Больцмана, Т — абсолютная тем-пература. Гуи на основании указанных теоре-тических расчетов подсчитал распределение ионов во внешнем диффузном слое.

О. Штерн (1924) объединил теории Гельм-гольца 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 моно-молекулярного слоя находится около поверх-ности металла, другая часть ионов находится на некотором расстоянии от поверхности в растворе, образуя диффузный слой. Таким об-разом, структура заряженного слоя около по-верхности металла состоит из двух частей: внутреннего слоя Гельмгольца, напоминающе-го конденсатор, и внешнего слоя Гуи, имею-щего диффузный характер. Более совершен-ная теория двойного слоя дана Штерном, од-нако и она страдает рядом недостатков. Как отмечает А. Фрумкин, теория Штерна не учи-тывает деформации ионов, точечной природы ионов, а также и того, что в самом металле за-ряды не лежат точно в одной плоскости, а имеют известное объемное распределение. При рассмотрении электрокинетических яв-лений вводят понятие электрокинетического потенциала или дзета-потенциала. Под этим термином понимают разность потенциалов, которая возникает при движении жидкости или твердых частичек относительно друг дру-га. При относительном движении твердой и жидкой фаз скольжение происходит не непо-средственно у твердой поверхности, а на рас-стоянии от нее, примерно равном размеру мо-лекулы.

Величина и знак дзета-потенциала, по тео-рии Штерна, зависят от электростатических сил притяжения или отталкивания и диполь-ных сил адсорбции. Если имеются многова-лентные ионы, обладающие большим адсорб-ционным потенциалом (дипольным момен-том), то они могут проникнуть за поверхность скольжения в количествах, которые не только нейтрализуют ионы, адсорбируемые поверх-ностью твердой стенки, но и могут изменить знак дзета-потенциала.

Резюмируем кратко современные представ-ления о механизме образования двойного электрического слоя: отрицательный заряд стенки связан либо с преимущественной ад-сорбцией анионов из раствора, или с диссо-циацией катионов из твердой стенки. Поло-жительные заряды образуют диффузный слой вблизи от стенки.

Электрокинетические явления довольно хорошо изучены на мембранах неживой при-роды. 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 прак-тический и теоретический интерес.

Вследствие большого количества разнооб-разных 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 не-органического происхождения было предпри-нято исследование, имевшее целью обнару-жить 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, пропи-танной солями, главным образом кальциевы-ми, придающими зубу твердость. В своем со-ставе зуб содержит, частью в адсорбирован-ном, частью в свободном состоянии, воду, в которой растворены соли, а также коллоиды.

Эта структура сближает зубную ткань со структурой хорошо изученных неорганиче-ских и органических мембран.

Автором еще в 1947 году был разработан метод декальцинации дентина зубов с помо-щью электродиализа. Шлифы зубов укрепля-лись воском в отверстии стеклянной пластин-

Ученые записки ЗабГГПУ

8

ки. Пластинку помещали в наполненный дис-тиллированной водой сосуд, таким образом, чтобы она разделяла последний на две изоли-рованных части. Затем по обе стороны от пла-стинки, 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 уро-вень воды в соответствующей половине сосуда заметно повышался, поэтому зубы следует от-нести к электроотрицательным мембранам.

Это обстоятельство побудило Васило-ва С. И. и Хесина Я. Е. использовать прохожде-ние жидкости через вмонтированный в стек-лянную перегородку шлиф для ускоренной фиксации костной ткани с одновременной де-кальцинацией ее с целью последующего гис-тологического изучения.

Метод заключался в том, что в отверстие стеклянной перегородки, вертикально разде-ляющей сосуд на две изолированные полови-ны, парафином или воском укрепляется не-фиксированный кусочек костной ткани с ок-ружающими ее элементами. Обе половины сосуда наполняются 12% раствором нейтраль-ного формалина. Затем по обе стороны от ку-сочка в раствор формалина погружают плати-новые электроды, соединенные с выпрямите-лем, включаемым в городскую осветительную сеть. Напряжение на выходе поддерживалось 80 вольт. При замыкании цепи через испытуе-мый кусочек пропускается постоянный ток.

Указанным способом была проведена де-кальцинация 12 кусочков кости и целых кос-тей, взятых от кошек и крыс. Параллельно та-кие же кусочки костной ткани от тех же жи-вотных декальцинировались обычным мето-дом после предварительной фиксации форма-лином в 8% растворе азотной кислоты. Срав-нение обычных способов декальцинации с предлагаемым методом выявило ряд преиму-ществ последнего. Время предварительной об-работки кости перед заливкой в целлоидин сокращается в 6—8 раз. Электродекальцина-ция с одновременной фиксацией длится 1—5 суток, тогда как для фиксации таких же кусоч-ков кости требуется 3—4 суток и для декаль-цинации их в растворе азотной кислоты еще 1—2 недели. Контроль за ходом декальцина-ции осуществляется по отложению кальция на катоде.

Опыты по обнаружению электрокинетиче-ских явлений на трубчатых костях человека были проведены автором в 1948 году. Трубча-тые кости отнесены также к электроотрица-тельным мембранам.

Электрокинетические явления обнаружены у некоторых растений Забайкалья. По нашему заданию Вайсман и Синявская провели на-блюдения и обнаружили явление электроос-моса и возникновение дзета-потенциалов у ба-гульника и тополя. Указанные мембраны от-несены к электроотрицательным.

Обратимся в постановке вопроса о наблю-дении 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. Раз-личный химический состав артериальной и венозной крови. 3. Работа сердца и других ор-ганов.

Методика эксперимента заключалась в сле-дующем: в вену и артерию собаки вводились до середины диаметра сосуда платиновые электроды, которые изолировались от стенки кровеносных сосудов. В электрическую цепь включался зеркальный гальванометр. Иссле-дования показали, что кровь в артериях боль-шого круга кровообращения имеет положи-тельный заряд, а кровь в венах несет отрица-тельный электрический заряд. Опыты были проведены на шести собаках с бедренной ар-терией и бедренной веной, а также с сонной артерией и яремной веной. Для выяснения во-проса о влиянии стенки кровеносного сосуда на заряд мы отключали яремную вену и сон-ную артерию от капиллярной сети большого круга. Устраивался анастамоз между сонной артерией и яремной веной. Исследования производились в непосредственной близости анастамоза. Следовательно, по венам протека-ла артериальная кровь. Однако кровь в арте-рии была заряжена положительно, а в вене — отрицательно. Таким образом, заряд крови, надо полагать, частично обусловливается со-судом, по которому течет кровь. При выпуска-нии крови из артерии наружу кровь в артерии сохраняла положительный заряд, а в вене — отрицательный. По мере вытекания крови разность потенциалов постепенно уменьша-лась. При появлении тромба разность потен-циалов между кровью в артерии и вене стано-вится равной нулю. При растяжении артерии вновь появлялась разность потенциалов:

Физика, математика, техника, технология

9

кровь в артерии приобретала положитель-ный заряд, а в вене — отрицательный.

При восстановлении первоначального положения (тромб оставался) разность по-тенциалов вновь становилась равной нулю. Промывание физиологическим раствором ликвидировало тромб, и кровь при своем движении приобрела первоначальные знаки зарядов. Введение в яремную вену адрена-лина (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 посте-пенно прошел. Опыты показали наличие электрического заряда крови, текущей в ар-териях и венах, что можно частично объяс-нить возникновением потенциалов протека-ния. Возможно, что кроме электрокинетиче-ских явлений в возникновении потенциалов крови играют роль и другие факторы, в ча-стности, 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 коэффици-енты поперечной автокорреляции и средние квадраты флуктуации уровня и фазы волны, прошедшей через слой со случайными неод-нородностями. Расчеты проведены в предпо-ложении, что излучатель и приемник находят-ся вне слоя толщины L1. Предполагается также, что случайные отклонения показателя пре-ломления от среднего значения малы, но сами неоднородности крупномасштабные, т. е. их размер велик по сравнению с длиной волны.

Ключевые слова: дифракция, слой со случай-ными неоднородностями.

A.A. Krotova

Diffraction in Random Nonhomogeneous Layer

The article presents cross autocorrelation coef-ficients and mean squares of fluctuation of wave

                                                            1 Опубликовано ранее в журнале «Ученые записки ЧГПИ».

Вып. 2. – Чита, 1958.

phase passed through the random nonhomogene-ous layer.

Key words: diffraction, random nonhomogene-ous layer.

Пусть координаты точки наблюдения, на-ходящейся вне слоя, будут (L,O,O). В таком случае при указанных выше предположениях величина флуктуаций уровня (и фазы) и кор-реляционные функции могут быть подсчита-ны с помощью формул А. М. Обухова [1] , по-лученных для волны, прошедшей в неодно-родной среде некоторый путь X . Для нашего случая формулы А. М. Обухова могут быть за-писаны так:

∫ ∫ ∫∞

∞

−=

1

0 010 ),,(),(),,(

L

dddK

LФKOOLS ζηξζηξμρξ

(1)

∫ ∫ ∫∞

∞−

−=

1

0 020

0

),,(),(,,/

lnL

dddK

LФKOOLA

A ζηξζηξμρξ

(2)

где S(L,O,O) и O,O,LAAln

0 соответственно флук-туации фазы и уровня; L1 — толщина неодно-родного слоя; ξ, η, ζ — координаты рассеи-вающего объема, μ(ξ, η, ζ) — флуктуация пока-