Электричество в мире химии - Георгий Яковлевич Воронков

измерить содержание кислорода с помощью незащищенного платинового электрода, вводимого в контролируемый орган. Из этого ничего не получилось, так как компоненты крови и других биологических жидкостей адсорбировались на электроде и препятствовали восстановлению кислорода. В катетерных микроэлектродах современной конструкции платиновый (индикаторный) электрод вместе с электродом сравнения помещен в раствор электролита, отделенный от анализируемой крови гидрофобной (несмачиваемой) пористой пленкой из тефлона. Растворенный в крови кислород диффундирует через заполненные газом поры тефлоновой пленки в электродное отделение и восстанавливается на платиновом электроде.

Когда кровь течет через капилляры кровеносной системы, возникают потенциалы течения, являющиеся одним из источников биопотенциалов. Установлено, например, что один из пиков электрокардиограммы обусловлен возникновением потенциалов течения крови в коронарных сосудах сердца. Эти потенциалы измеряют в кардиологических клиниках и лабораториях.

В медицинской практике широко применяют электрофорез. Он служит для разделения белков, аминокислот, антибиотиков, ферментов, антител, для диагностики и контроля за ходом болезни. Столь же распространен и ионофорез — метод введения лекарственных веществ в организм через кожу постоянным током.

Известный аппарат «искусственная почка», к которому подключают больного при острой почечной недостаточности, основан на явлении электродиализа. Кровь протекает в узком зазоре между двумя мембранами, омываемыми снаружи физиологическим раствором. Благодаря большой площади мембран и наложенному электрическому полю из крови удаляются шлаки — продукты обмена и распада тканей.

Размышляя о взаимодействии химических и электрических явлений, Фарадей сказал: «Как ни чудесны законы и явления электричества, которые мы наблюдали в мире неорганического вещества и неживой природы, интерес, который они представляют, вряд ли может сравниться с тем, что вызывает та же сила в соединении с нервной системой и жизнью».

И в самом деле, ваша рука только что перевернула прочитанную страницу, мыщцы вашего глаза направили его на эти строки, другие мышцы изменили кривизну хрусталика, чтобы сфокусировать изображение букв на поверхности сетчатки... Все это произошло по приказу нервных импульсов, генерируемых в нервной клетке. Во многих, если не во всех биологических процессах мы при внимательном рассмотрении обнаружим электрохимические звенья.

Еще в середине прошлого века была высказана мысль, что поверхность живой клетки имеет общие свойства с электродом в гальванической ячейке. Это оставалось гипотезой до середины 20-х годов нашего столетия, когда стало ясно, что клетки окружены тонкой мембраной весьма сложной структуры. Отдельные части мембраны обладают полупроводниковыми или ионоселективными свойствами — пропускают ионы одного знака или одного элемента (либо калия, либо натрия, например). На такой избирательности основано появление мембранного потенциала, от которого зависит работа информационных и энергопреобразующих систем организма. Мембранный потенциал обеспечивает передачу нервных импульсов, с помощью которых мозг командует работой органов и тканей, а также преобразование химической энергии в механическую.

Нервная клетка, нейрон, представляет собой звездообразное тело и состоит из тонких отростков — дендритов и аксона — длинного отростка. Конец аксона переходит в тонкие волокна, которые оканчиваются в мышце или синапсах — местах соединения с другой клеткой. Клетка отделена от окружающей ее среды мембраной, играющей особую роль в образовании и передаче нервного импульса.

Внутри клетки концентрация ионов калия намного больше, чем вне клетки, а концентрация ионов натрия — меньше. Благодаря этому на стенке клетки возникает двойной электрический слой. Так как мембрана в состоянии покоя хорошо проницаема для ионов калия и менее проницаема для ионов натрия, между внутренней частью клетки и внешней средой возникает разность потенциалов, составляющая 60—100 милливольт, причем внутренняя часть клетки заряжена отрицательно по отношению к околоклеточной жидкости.

При раздражении клетки двойной электрический слой частично разряжается и, когда потенциал покоя снижается до 15—20 милливольт, пропускная способность мембраны по отношению к ионам натрия резко возрастает, и они устремляются внутрь клетки. Как только положительная разность потенциалов между внутренней и внешней поверхностями мембраны достигнута, поток ионов натрия иссякает. В тот же миг открываются каналы для ионов калия, и потенциал сдвигается в отрицательную сторону. Это, в свою очередь, уменьшает проводимость по иону натрия, и потенциал в конце концов достигает значения потенциала покоя.

Возникающий в клетке сигнал распространяется по аксону за счет проводимости находящегося внутри него электролита. Если аксон имеет особую изоляцию — миелиновую оболочку, то электрический импульс проходит эти участки значительно быстрее, и общая скорость определяется величиной и количеством неизолированных участков.

Так формируется и распространяется нервный импульс.

Возбуждение и сокращение мышцы связано с переносом ионов натрия и калия через мембрану, окружающую мышечное волокно. Природа потенциала действия здесь та же, что и в аксоне, только основную роль играют ионы кальция. После возбуждения концентрация кальция резко увеличивается; это вызывает сокращение миофибрилл, состоящих из параллельно расположенных тонких нитей — белка актина и толстых нитей — белка миозина. По окончании сокращения кальций выводится обратно. Движение белковых нитей по отношению друг к другу, лежащее в основе сокращения мышц, нуждается в энергии. Энергию дает гидролиз универсального горючего, необходимого для функционирования биологических систем,— аденозинтрифосфорной кислоты, сокращенно АТФ.

Синтезируется АТФ благодаря присутствию на внутренних поверхностях мембраны ферментов, осуществляющих реакцию окисления питательных веществ. Окисление порождает в мембране скачок потенциала.

Постепенное сгорание питательных веществ можно уподобить электрохимической реакции, протекающей в топливном элементе. Коэффициент полезного действия энергетических превращений в клетках может достигать 80 процентов, то есть такой величины, которой еще не удалось достигнуть ни одному искусственному преобразователю энергии.

На пороге новых открытий (вместо эпилога)

Ученые полагают, что дальнейшее развитие электрохимии будет связано главным образом с менделеевским направлением — с более полным раскрытием роли химических стадий в электрохимических процессах. При исследовании проводников и полупроводников будут открываться особенности структуры границы раздела раствора с электродом, обнаружатся новые особенности кинетики и механизма процессов, протекающих на таких границах, будут изучаться пути направленного регулирования скорости и селективности электродных реакций. В исследованиях примут участие компьютеры всех рангов и типов. Они должны помочь человеку найти оптимальные пути реализации основных идей — получения электричества за счет химических реакций и проведения химических реакций при помощи электричества.

Среди наиболее перспективных областей в исследованиях следует отметить фотоэлектрохимию, квантовую электрохимию, твердые электролиты и суперионные проводники с аномально высокой ионной проводимостью, биоэлектрохимию, создание электрохимических преобразователей информации, усовершенствование электролиза, в том числе разработку новых его видов, например магнетолиза, вызываемого наложением мощных магнитных полей на ячейку.

В ближайшие десятилетия первичными источниками энергии останется ископаемое топливо и расщепляющиеся материалы. Но запасать энергию, возможно, удастся с помощью электрохимических процессов. Имеется в виду электролитическое получение водорода, а затем по мере необходимости его использование в топливных элементах или в двигателях внутреннего сгорания, а также создание и использование новых аккумуляторов на основе необычных электрохимических систем.

Хранить и