Струм у людському тілі. Електричні органи

У річках морях і океанах мешкають кілька видів риб, які можуть виробляти електричний струм. Як показали останні дослідження, нині існує близько трьохсот видів риб, які виробляють електрику. До таких риб належать і електричний вугор.

Мешкає електричний вугор у річках північно-східної частини Південної Америки та притоці середньої та нижньої течії Амазонки. Довжина від 1 до 3 м, вага до 40 кг. Шкіра у електричного вугра гола, без луски, тіло сильно подовжене.

Цікавим у структурі електричних вугрів є електричні органи, що займають близько 4/5 довжини тіла. Вугор генерує розряд напругою до 1300 і силою струму до 1 A. Позитивний заряд знаходиться в передній частині тіла, негативний - в задній. Удар струмом дорослого електричного вугра здатний приголомшити коня

Електрика вугору потрібна для:

• захисту. Коли на вугор нападає хижак, вона випускає розряд електричного струму. Це відлякує хижака або знерухомлює (паралізує) його;
• спілкування один з одним. Вугор випускає електричні розряди у воду, інші риби можуть відчувати їх, таким чином, риби отримують інформацію про місцезнаходження своїх побратимів, так само одна особа може сповістити іншу про наближення небезпеки;
  орієнтування у водному просторі. За допомогою струму вугор може визначити відстань до дна, каменю або іншого об'єкта, що знаходиться у воді;
• полювання. За допомогою електричного струму вугор видобуває собі їжу. Коли дрібна риба виявляється поблизу, хижак паралізує її струмом, рибка не може рухатися, тому стає легкою здобиччю.

Звідки береться струм риб?

Електричний струм риб утворюється в особливих органах, які називаються «електричні органи». Кожен вид риб електричні органи розташовані по-різному. В одних риб вони знаходяться з обох боків (наприклад, електричний скат і вугор), в інших у підшкірному шарі, практично по всій довжині тіла (наприклад, електричний сом), у третіх риб електричні органи знаходяться біля очей (американський звездочет).

Кожен електричний орган складається з невеликих пластин (саме у них і утворюється електрика), які зібрані у стовпчики. Кількість стовпчиків різна у кожного виду риб, їх може бути від кількох десятків, до кількох тисяч. За одну секунду риба може виробляти від 10 до 600 електричних імпульсів. Чим вища кількість імпульсів, тим більше шкоди вона може завдати іншим рибам. Наприклад, коли хижак полює, він виробляє 500-600 імпульсів, для захисту та відлякування ворогів достатньо 10-30 імпульсів.

Людству варто наперед готуватися до майбутнього енергетичного голоду. По-перше, виснажуються ресурси, що виробляють електрику. По-друге, ми не можемо в тих же темпах виробляти його далі, інакше настане теплова катастрофа планетарного масштабу. Ймовірно, другий момент нас все ще мало турбуватиме, бо наш світ на всі 100% залежить від енергетики. Відмовитись від неї хоча б на половину означатиме смерть цивілізації. Тому ми до останнього подиху шукатимемо нові джерела електрики.

Через півстоліття на планеті закінчиться нафта. Ще через півстоліття не стане газу. І ось тільки тоді ми перейдемо на новий рівень розвитку, що характеризується новими технологіями та можливостями. В принципі, ми могли б це зробити вже давно, але технічна революція відкладається через суто меркантильні інтереси, про що йтиметься трохи пізніше. Що це будуть за джерела, якою буде їхня природа та потенціал - з усім цим ми спробуємо розібратися в цьому розділі.

Почнемо із самих себе. Ні для кого не секрет, що в ідеалі наш організм міг би дати нам можливість забезпечувати нас самими елементарними електричними ресурсами. Звичайно, не йдеться про підігрів чайника або роботу лампового телевізора, але значна частина електроприладів могла б отримувати енергію прямо від нашого організму.

Зазвичай, у цьому ракурсі розуміється наша можливість за допомогою фізичних рухів виробляти електрику в генераторах. У цьому немає нічого дивного, коли усвідомлюєш наскільки людина сильна та енергійна у своїх діях. Сила та витривалість його м'язів цілком підходить для вироблення електроенергії, що особливо актуально у вік приладів, яким потрібно все менше цієї електроенергії. У програмі «Незрозуміло, але факт» можна було спостерігати винахідника Мартина Нунупарова, який демонстрував цілу низку приладів, які працюють від фізичної сили людини:

Мартин Нунупаров – завідувач лабораторії мікроелектроніки інституту загальної фізики РАН; винахідник; володар гран-прі конкурсу російських інновацій 2004 року.

— У приладах може з'являтись електрика, яка виходить при механічному натисканні на спеціальну клавішу. Цей винахід, який ми зробили, дозволяє робити безліч електронних приладів, для яких не потрібно ні розетки, ні батарейки, і які можуть служити вічно.

Вчений пропонує використовувати цілий ряд винаходів, здатних генерувати струм практично з будь-якої людської дії, навіть вдиху, енергія якого дорівнює 1Вт. За його словами, навіть енергію ходьби людини та помаху руками під час цього процесу достатньо, щоб живити лампу 60Вт.

Але ще далі пішли деякі інші винахідники, які, схоже, вирішили зробити справжню електричну станцію. Наприклад, група американських вчених їх Georgia Institute of Technology створила прототип наногенератора, що діє, з оксиду цинку, який вживлюється в людське тіло і отримує з нього струм, використовуючи наші рухи. У майбутньому пропонується оснащувати людей безліччю таких наноприладів, щоб ми могли будь-якої миті отримувати необхідну енергію.

Все це здебільшого лише пропозиції до масового використання. Однак у світі вже створено чимало прецедентів, які у повсякденному житті використовують людину як джерела струму. Наприклад, в одному з вокзалів технологічної Японії стоять турнікети, що виробляють електрику. Кожен пасажир, а їх багато тисяч щодня, проходить через таку систему і живить весь термінал додатковим чистим джерелом електрики. Звичайно, про великі обсяги одержуваної енергії говорити не доводиться. Вона навряд чи забезпечує і кілька відсотків потреби, але сам прецедент заслуговує не лише на увагу, а й на повагу. Можливо, за таким принципом колись працюватиме багато підприємств.

Ймовірно, за такими складовими, як Нунупаров та його винаходи, стоїть майбутнє людства. Проте все це більше відноситься до того, що було завжди відомо, але мало хто розумів, як правильно отримувати і використовувати електрику з фізичних дій людини. Насправді, електрику ми можемо генерувати безпосередньо, уникаючи перехідних систем імпульс-рух та рух-генератор. Справа в тому, що сама природа будь-якого живого організму, а не тільки людини, це замкнута електрична система, в якій є свої генератори, лінії передач та споживачі. Чи не спробувати качати струм прямо з нашого нутра?

Така ідея спочатку витала лише в умах фантастів. Здавалося, це просто неможливо. Згадаймо культовий фільм «Матриця», де електрику виробляли людські мізки, підключені до однієї суцільної генераторної станції. Але світ рухається вперед і основна роль його руху полягає в тому, щоб унеможливлювати повсякденну реальність. Однак спочатку варто розібратися з причинами того, чому людина може бути використана як джерело енергії і звідки вона в ній береться.

Справа в тому, що у людини є всі необхідні ланки будь-якого повного електричного ланцюга. По-перше, це генератори. Вони поділяються на внутрішні (серце і мозок) та зовнішні (органи почуттів). У мозку струм утворюється в місці ретикуло-ендотеліальної формації, звідки по нервах поширюється по всьому організму як біострумів. У серці біоструми виникають у синатріальному вузлі, звідки вони через посередників передають імпульси серцевому м'язі, а потім розчиняються в тілі. Саме завдяки цьому вузлу серце може якийсь час битися навіть поза тілом.

В очах струм виникає як потоку електронів по нервах до мозку від сітківки. У внутрішньому вусі формується електрика під впливом звукових хвиль. Фізична та температурна дія на рецептори шкіри формує в них біоструми, які прямують до головного мозку на обробку. Це найдрібніші генератори струму в організмі людини. У носі електрику виробляють мітральні клітини, вплив запаху, на яких генерує біоімпульси. У роту під впливом хімічних речовин струм виробляють смакові сосочки.

Якщо підсумувати всю внутрішню електрику, що виробляється нами, то виявиться, що більше половини бере на себе серце. Десяту частину струму генерують органи почуттів, проте інше, близько 40%, виробляє головний мозок. Однак при великих болях органи почуттів, больові рецептори, можуть давати абсолютну більшість усієї електрики в організмі. Загалом, все це не дивно, якщо розуміти, що біоструми є головним рушійним та підтримуючим живу істоту фактором.

Деякі уми наполегливо вирішують завдання, як узяти хоча б частину всього внутрішньолюдського струму та використовувати його для потреб самої людини. Ймовірно, це не дасть серйозних зрушень на рівні розвитку цивілізації, але в чомусь може зіграти свою позитивну роль. Приміром, внутрішнє електрику міг би живити вживлені чіпи людини майбутнього чи штучні органи. Але ще далі йдуть ідеї штучної культивації тих же рецепторів болю в промислових масштабах, щоб їх виробляти струм у великих обсягах. Безперечно, ця ідея далекого майбутнього. Але деякі сучасні здобутки виглядають не менш фантастично.

Так, у японській лабораторії Matsushita Electric навчилися отримувати струм безпосередньо з крові людини. Справа в тому, що вона сповнена електронів від ферментного окислення глюкози. А той же Нунупаров пропонує використовувати для отримання електрики не тільки наші рухи, а й ті зайві відкладення жирових тканин, що нас так сильно дратують у дзеркала та на фотографіях. За його підрахунками, одного грама такого жирку вистачить на підзарядку чотирьох батарейок АА. Без зусиль можна підрахувати, що черево середнього європейського чоловіка може живити до 40 тис. батарейок, що являє собою значний запас електрики. Залишається лише вирішити, наскільки вигідніше виробляти людині жир для енергетичних цілей?

Але все вищеописане не йде в жодні порівняння з тим, як збираються вирішити енергетичне питання в Лондонському музеї науки. Як і належить справжньому діячеві науки, керівництво музею вирішило знайти консенсус між трьома мільйонами відвідувачів на рік і величезними рахунками за електроенергію. На відміну від невинних японських турнікетів, які виробляють електрику, коли крізь них проходять клієнти залізничної станції, англійці вирішили використати обід відвідувачів. Втім, як і сніданок та вечеря. Загалом усе, що залишилося в кишечнику.

Хтось мозковий вирішив, що занадто велике марнотратство викидати вміст унітазів у стічні води, адже цей вміст творять три мільйони людей на рік. То ж скільки можна добра зробити! Було підраховано, якщо грамотно використати ці продукти життєдіяльності, то з рахунків за електроенергію можна буде викреслити близько 15000 лампочок, які зможуть висвітлювати, відвідувачі музейних унітазів.

Щось подібне вигадали сінгапурські вчені. Вони вирішили обмежитися невеликим – сечею. Група Інституту біотехнологій та нанотехнологій винайшла папір, що складається з вимоченого в дихлориді міді паперового шару між смужками магнію та міді. Коли на це диво потрапляє лише 0,2 мл. сечі, виробляється 1,5-вольтова напруга із солідною потужністю. Про використання такої батареї у промислових генераціях електрику ніхто поки що не говорить. Спочатку була мета створити медичні прилади, здатні самостійно робити аналіз сечі без сторонніх джерел енергії.

Фізика у світі тварин: електричний вугор та його «енергостанція»

• Науково-популярне ,
• Біотехнології
• Фізика,
• Екологія

Електричний вугор (Джерело: youtube)

Риба виду електричний вугор (Electrophorus electricus) – єдиний представник роду електричних вугрів (Electrophorus). Зустрічається він у ряді приток середньої та нижньої течії Амазонки. Розмір тіла риби досягає 2,5 метра завдовжки, а вага - 20 кг. Харчується електричний вугор рибою, земноводними, якщо пощастить - птахами чи дрібними ссавцями. Вчені вивчають електричного вугра десятки (якщо не сотні) років, але тільки зараз почали прояснюватись деякі особливості будови його тіла та низки органів.

Причому здатність виробляти електрику - єдина незвичайна риса електричного вугра. Наприклад, дихає він атмосферним повітрям. Це можливо завдяки великій кількості особливого виду тканини порожнини рота, пронизаної кровоносними судинами. Для дихання вугру потрібно кожні 15 хвилин випливати до поверхні. З води кисень брати він не може, оскільки мешкає він у дуже каламутних та дрібних водоймах, де дуже мало кисню. Але, звичайно, головна відмінність електричного вугра - це його електричні органи.

Вони відіграють роль не тільки зброї для оглушення чи вбивства її жертв, якими вугор харчується. Розряд, що генерується електричними органами риби, може бути слабким, до 10 В. Такі розряди вугор генерує для електролокації. Справа в тому, що риба має спеціальні «електрорецептори», які дозволяють визначати спотворення електричного поля, що викликаються його власним тілом. Електролокація допомагає вугрю знаходити шлях у каламутній воді і знаходити жертв. Вугор може дати сильний розряд електрики, і в цей час риба або земноводне, що причаїлася, починає хаотично смикатися через судом. Ці коливання хижак легко виявляє і з'їдає жертву. Таким чином, ця риба є одночасно і електрорецептивною та електрогенною.

Цікаво, що розряди різної сили вугор генерують за допомогою електричних органів трьох типів. Вони займають приблизно 4/5 довжини риби. Високу напругу виробляють органи Хантера та Мена, а невеликі струми для навігаційних цілей та комунікаційних цілей генерує орган Саксу. Головний орган та орган Хантера розміщуються у нижній частині тіла вугра, орган Сакса – у хвості. Вугри спілкуються між собою за допомогою електричних сигналів на відстані до семи метрів. Певною серією електричних розрядів можуть залучати до себе інших особин свого виду.

Як електричний вугор генерує електричний розряд?

Різниця потенціалів у результаті сягає 70 мВ. У мембрані тієї ж клітини електричного органу вугра є і натрієві канали, якими іони натрію можуть знову потрапити у клітину. У звичайних умовах за 1 секунду насос виводить із клітини близько 200 іонів натрію і одночасно переносить у клітину приблизно 130 іонів калію. На квадратному мікрометрі мембрани може розміститися 100-200 таких насосів. Зазвичай ці канали закриті, але у разі потреби вони відкриваються. Якщо це сталося, градієнт хімічного потенціалу призводить до того, що іони натрію знову надходять у клітини. Відбувається загальна зміна напруги від -70 до +60 мВ і клітина дає розряд в 130 мВ. Тривалість процесу – всього 1 мс. Електричні клітини з'єднуються між собою нервовими волокнами, з'єднання – послідовне. Електроцити становлять своєрідні стовпчики, які з'єднуються вже паралельно. Загальна напруга електричного сигналу, що генерується, досягає 650 В, сила струму - 1А. За деякими даними, напруга може досягати навіть 1000, а сила струму - 2А.

Електроцити (електричні клітини) вугра під мікроскопом

Після розряду знову діє іонний насос і електричні органи вугра заряджаються. На думку вчених, налічується 7 типів іонних каналів мембрани клітин електроцитів. Розташування цих каналів і чергування типів каналів впливає швидкість виробництва електрики.

Розряд електричної батареї

Другий - послідовність з 2-3 високовольтних імпульсів тривалістю кілька мілісекунд. Цей спосіб використовується вугрем при полюванні на жертву, що сховалася і затаїлася. Як тільки дано 2-3 розряди високої напруги, м'язи затаївшейся жертви починають скорочуватися, і вугор може легко виявити потенційну їжу.

Третій спосіб – ряд високовольтних високочастотних розрядів. Третій спосіб вугор використовує під час полювання, видаючи за секунду до 400 імпульсів. Цей спосіб паралізує практично будь-яку тварину невеликого та середнього розміру (навіть людину) на відстані до 3 метрів.

Хто ще здатний виробляти електричний струм?

Але електричний розряд чутливої ​​сили здатні генерувати небагато риб. Це електричні скати (ряд видів), електричний сом та деякі інші.

Електричний сом (

У морях і океанах є істоти, що мають дивовижні та разючі здібності виробляти електрику. Одним із таких створінь є електричний скат.

Як скати виробляють електрику?

Все завдяки спеціальним електричним органам, що знаходяться усередині цих істот. Вони виникли як у прісноводних, і у морських риб. Відомо, що такі ж органи мали деякі їхні копалини. Сучасна іхтіологія налічує понад 300 видів різних риб, які мають електричні органи. Ці органи є видозміненими м'язами. У тих чи інших «електрориб» вони відрізняються своїм місцезнаходженням. Наприклад, у скатів вони є ниркоподібними утвореннями.

Якщо говорити простою мовою, то електричні органи скатів – це своєрідні міні-генератори, що виробляють дуже пристойний заряд струму. Цього заряду вистачить на те, щоб знерухомити не тільки рибу, а й людину! Є фахівці, які стверджують, що скати можуть за один раз виробляти напругу 300 вольт. Електричні органи розташовуються у спинній та черевній частинах тіла цієї «електрориби». Їх можна порівняти з гальванічною або електричною батареєю.

Кожен із таких органів складається з численних електричних пластин, зібраних у стовпчики. Це видозмінені нервові, м'язові та залізисті клітини. Між їхніми мембранами і генерується різниця потенціалів. Електричні органи іннервуються спеціальними гілками язикоглоткового, лицьового та блукаючого нервів, які, у свою чергу, підходять до електронегативної сторони вищезгаданих пластинок.

У яких випадках скати виробляють електрику?

Ці створення використовують свої унікальні електрогенні властивості у двох випадках: якщо їм загрожує будь-яка небезпека або під час полювання (пошуку видобутку). Цікаво, що самі скати не страждають від електричного розряду, що випускається ними. Це пояснюється спеціальною «ізоляцією», якою нагородила їхня матінка-природа. До речі, електрогенними властивостями володіють не тільки електричні скати, а й деякі інші види, що не належать до сімейства електричних: органи цих істот розташовані тільки на хвості.

Ті рибалки, які мали необережність на собі відчути всю силу дії цієї «електрориби», залишалися вкрай незадоволеними. За їхніми словами, удар струмом від електричного схилу супроводжується тривалою сонливістю, тремтінням у ногах, втратою чутливості, онімінням верхніх кінцівок.

Цікаво, що така дивовижна електрогенна властивість цих створінь успішно експлуатувалася ще в Стародавній Греції. Греки використовували цих чудо-риб для знеболювання під час якогось оперативного втручання, або при дітонародженні.

Все цікаве

З найдавніших часів люди спостерігали електричні явища, проте осягнути, описати та реалізувати їх вийшло відносно недавно. А почалася історія відкриття електрики та її імпульсів із дослідженням природного «сонячного каменю» -…

Будь-яка людина, не особливо присвячена в область електротехніки, чула про те, що розрізняють постійний струм і струм змінний. Фахівці говорять ще про пульсуючий електричний струм. Де, в яких сферах енергетики використовують той і інший струм, і…

Найбільша річка у світі – Амазонка. Вона ж визнана і найнебезпечнішою. Причиною тому є розмаїття різноманітних фауни, небезпечної життя людини. Хижаки АмазонкиАмазонка - американська річка, що має протяжність 6992,06 км. Глибина її.

Покрівля – це частина архітектурного образу будівлі. По суті це найважливіший захисний елемент конструкції будівлі. Від якості даху залежить не тільки довговічність побудови, а й зовнішній вигляд будинку, а також комфортність проживання в ньому. Тому вибір…

Не кожен може дозволити собі встановити у своєму будинку чи квартирі справжній камін. Відмінною заміною йому є камін електричний - теплий, яскравий, красивий, який відрізняється від сьогодення лише тим, що замість вогню в ньому «палає».

Всім привіт, я Маша Осетрова, і сьогодні трохи розповім вам про електрику в тілі людини.

Сюжет про Віктора Франкенштейна, який створив монстра з неживої матерії, ідейно перегукується з проведеними у XVIII столітті дослідами Луїджі Гальвані, який змусив м'язи жаби скорочуватися під дією електричного струму. Його експерименти надихнули багатьох дослідників вивчення функцій електрики у тілі живих істот. На сьогоднішній день вчені сильно просунулися в цій галузі: вигадали знеболювальні, з'ясували, що змушує наше серце битися, що відбувається в голові у закоханих і багато іншого.

Між електрикою нашого організму та електрикою, яка забезпечує наші будинки, є дві фундаментальні відмінності. Електрика з розетки є потіком електронів. На відміну від цього, практично всі струми в живих істотах є потоками іонів — атомів, що мають електричний заряд. Струми в нашому організмі пов'язані з п'ятьма типами частинок: чотирма позитивними іонами — натрію, калію, кальцію та водню — та одним негативним хлорид-аніоном.

Друга важлива відмінність пов'язана з напрямом руху частинок. Струм в електричному ланцюзі тече вздовж провідника, тоді як поширення електричного імпульсу нейроном сприяє рух іонів в перпендикулярному напрямку.

У книзі «Іскра життя» Френсіс Ешкрофт зібрала знання про електричні струми в організмі людини і процеси на клітинному і молекулярному рівні, що управляють передачею електричних імпульсів.

У стані спокою на мембрані всіх клітин існує різниця потенціалів 70 мВ, яку також називають потенціалом спокою. Зміна цього потенціалу можлива при проході заряджених частинок через мембрану всередину та назовні клітини через спеціальні шлюзи – іонні канали.

Для управління іонними каналами сусідів нервові клітини випускають у синаптичну щілину – місце контакту нейронів – спеціальні речовини, нейромедіатори. Вони специфічно взаємодіють із іонними каналами в мембрані цільової клітини, підходячи до певного типу каналів як ключ до замку. Внаслідок взаємодії канал відкривається, пропускаючи через себе іони всередину або назовні клітини. Напрямок руху частинок залежить від концентрації іонів і розподілу зарядів.

У стані спокою потенціал-залежні натрієві та калієві канали клітин нервової та м'язової тканини знаходяться у закритому стані під дією потенціалу спокою. Вони відкриваються лише тоді, коли потенціал зміщується у позитивну сторону: коли це відбувається, генерується нервовий імпульс.

Хоча потенційно нервові волокна можуть проводити імпульси у будь-який бік, зазвичай вони передають їх лише одному напрямку. Рухові нерви передають сигнал від головного та спинного мозку до м'язів для управління їх скороченням, а чутливі нерви передають інформацію у зворотному напрямку – від органів чуття до головного мозку.

Підтримка клітин у поляризованому стані життєво важлива для організму і вкрай енерговитратна. Один лише мозок використовує близько 10% кисню, що вдихається, для підтримки роботи натрієвого насоса і підзарядки акумуляторів нервових клітин.

Найбільше значення для генерації нервового імпульсу мають калієві та натрієві канали. Це підкреслює той факт, що отрути павуків, молюсків, актиній, жаб, змій, скорпіонів та багатьох інших екзотичних істот впливають саме на них і, таким чином, порушують функціонування нервів та м'язів. Багато токсини вкрай специфічні і націлені на якийсь вид іонних каналів.

Різні отрути мають різний механізм дії: деякі з них закупорюють іонні пори, а деякі виступають у ролі розпору, фіксуючи канал у відкритому стані. Це призводить до того, що результатом проникнення в організм одних токсинів є параліч, а інших надмірне збудження, що викликає судоми.

Наприклад, отрута тетродотоксин, що міститься у нутрощах іглобрюха, якого японці називають «риба фугу», має специфічність до натрієвих каналів. Міцно закупорюючи іонні пори, він перешкоджає нормальній передачі нервових імпульсів, викликаючи параліч і часто призводячи до смерті. Тим не менш, гурмани з усього світу регулярно ризикують життям, щоб скуштувати фугу: при правильному приготуванні вона перестає бути отруйною, і лише трохи поколює небо.

Ще один токсин, заради ефекту якого люди готові ризикнути - ботокс, який використовується в косметичних цілях для розгладження зморшок. Ботокс, він же ботулотоксин - отрута бактерій виду Clostridium botulinum, - Один з найсильніших відомих природних отрут. Він перешкоджає скороченню м'язів та поступово призводить до смерті від ядухи. У кількості, що міститься на кінчику голки, він смертельний для дорослої людини, проте ін'єкції ботоксу під шкіру в нікчемних концентраціях сприяють звільненню від мімічних зморшок.

На цьому все, читайте розумні книги, не суньте пальці в розетку і читайте портал «Горище»! А у наступному випуску я розповім вам про те, як ми робимо ЦЕ.