Работу выполнили:
Бобарыкин А.А.,
Королева Д.Д.,
учащиеся 8 класса
Руководитель:
Стерлягова Г.Г.,
учитель физики
Из истории открытия электричества в живых организмах
"Всем известно, как любят популяризаторы подчеркивать роль случая в истории великих открытий. Поплыл Колумб осваивать западный морской путь в Индию и, представьте, совершенно случайно... Сидит себе Ньютон в саду, и вдруг случайно падает яблоко..." Так пишут в своей книге, «Ботаники с гальванометром», С.Г.Галактионов и В.М.Юрин. И далее утверждают, что история открытия электричества в живых организмах не является исключением. Во многих работах подчеркивается, что открыто оно было совершенно случайно: профессор анатомии Болонского университета Луиджи Гальвани прикоснулся отпрепарированной мышцей лягушки к холодным перилам балкона и обнаружил, что она дергается. Почему?
Любопытный профессор немало поломал себе голову, пытаясь ответить на этот вопрос, пока в конце концов не пришел к заключению: мышца сокращается потому, что в перилах самопроизвольно наводится небольшой электрический ток. Он-то, подобно нервному импульсу, и отдает команду мышце сократиться. И это было воистину гениальное открытие. На дворе стоял всего лишь 1786 год, и прошла только пара десятилетий после того, как Гаузен высказал свою догадку о том, что действующее в нерве начало есть электричество. Да и само электричество оставалось для многих еще загадкой за семью печатями. Между тем, начало было положено.
И со времен Гальвани электрофизиологам стали известны так называемые токи повреждения. Если, например, мышечный препарат разрезать поперек волокон и подвести электроды гальванометра - прибора для измерения слабых токов и напряжений - к срезу и к продольной неповрежденной поверхности, то он зафиксирует разность потенциалов величиной около 0,1 вольта. По аналогии стали измерять токи повреждения и в растениях. Срезы листьев, стеблей, плодов всегда оказывались заряженными отрицательно по отношению к нормальной ткани.
Интересный опыт по этой части был проведен в 1912 году Битнером и Лёбом. Они разрезали пополам обыкновенное яблоко и вынули из него сердцевину. Когда же вместо сердцевины внутрь яблока поместили электрод, а второй приложили к кожуре, гальванометр опять-таки показал наличие напряжения - яблоко работало, словно живая батарейка. Впоследствии выяснилось, что некоторая разность потенциалов обнаруживается и между различными частями неповрежденного растения. Так, скажем, центральная жилка листа каштана, табака, тыквы и некоторых других культур обладает положительным потенциалом по отношению к зеленой мякоти листа.
Затем вслед за токами поражения наступила очередь открытия токов действия. Классический способ их демонстрации был найден все тем же Гальвани. Два нервно-мышечных препарата многострадальной лягушки укладываются так, чтобы на мышечной ткани одного лежал нерв другого. Раздражая первую мышцу холодом, электричеством или каким-либо химическим веществом, можно увидеть, как вторая мышца начинает отчетливо сокращаться. Понятное дело, нечто подобное попытались обнаружить и у растений. И действительно, токи действия были обнаружены в опытах с черешками листьев мимозы - растения, которое, как известно, способно совершать механические движения под действием внешних раздражителей. Причем наиболее интересные результаты были получены Бердон-Сандерсом, исследовавшим токи действия в закрывающихся листьях насекомоядного растения - венериной мухоловки. Оказалось, что в момент сворачивания листа в его тканях образуются точно такие же токи действия, как в мышце. Понятное дело, исследователей заинтересовал вопрос, какой же минимальной величины может быть живая батарейка. Экспериментаторы для этого стали выскребать все большие полости внутри яблока, пока не стало понятно: для того чтобы добраться до конца этой "лестницы дробления", придется вести исследования на клеточном уровне. И решающую роль здесь оказалось играет клеточная оболочка.
В своей работе мы поставили цель - обнаружить микротоки в различных растениях и найти в научно-популярной литературе причину их возникновения. Для этой цели мы взяли мультиметр и использовали его функцию амперметра в пределах 0-20 мкА, так эти токи очень слабые. В своих опытах мы обнаружили токи в листьях комнатных растений: фиалка, спатифиллум, бегония. Проверили есть ли ток в картофелине, лимоне, луковице и получили следующие результаты: Приложение 1.
Затем мы нашли в литературе объяснение этих электрических явлений в живой клетке.
Поверхностный аппарат клетки
Для того чтобы поддерживать в себе необходимую концентрацию веществ, клетка должна быть физически отделена от своего окружения. Вместе с тем, жизнедеятельность организма предполагает интенсивный обмен веществ между клетками. Роль барьера между клетками играет поверхностный аппарат клеток, который состоит из внешнего слоя и наружной плазматической мембраны. (Приложение 2)
Внешний слой представляет собой плотную клеточную стенку. Плазматические мембраны состоят из липидов и белков. Белки погружены в слой липидов на различную глубину или располагаются на его внутренней или внешней поверхности. Клеточная мембрана является полярной, то есть на внешней стороне заряд положителен, а с внутренней стороны - отрицателен.
Мембрана - весьма активная, постоянно работающая структура клетки, на которую природой возложено множество функций. Различные части клетки разделены между собой тончайшими пленками мембранами. Толщина каждой мембраны всего лишь несколько молекул, однако нужно отметить, что молекулы эти довольно крупные, и потому толщина мембраны может достигать 75-100 ангстрем. (Величина как будто действительно большая; впрочем, не будем забывать, что сам-то ангстрем составляет всего-навсего 10-8 см.) Так или иначе в структуре мембраны можно выделить три молекулярных слоя: два наружных образуются молекулами белков и внутренний, состоящий из жироподобного вещества - липидов. Такая многослойность придает мембране избирательность; говоря совсем уж упрощенно, различные вещества просачиваются через мембрану с различной скоростью. И это дает возможность клетке выбирать из окружающей среды наиболее нужные ей вещества, аккумулировать их внутри.
Да что там вещества! Как показали, например, эксперименты, проведенные в одной из лабораторий Московского физико-технического института под руководством профессора Э.М.Трухана, мембраны способны вести разделение даже электрических зарядов.
Мембранные насосы
Объясняя происхождение электрических потенциалов в растениях, нельзя остановиться лишь на констатации факта: "Растительное электричество" есть результат неравномерного (пусть даже и весьма неравномерного!) распределения ионов между различными частями клетки и средой. Тут же появляется вопрос: "А почему такая неравномерность возникает?" И вот тут, видимо, самое время вспомнить о тех мембранных насосах, которые известный ученый С.М.Мартиросов назвал однажды биороботами клетки. Именно благодаря им сквозь мембрану и прокачиваются избирательно те или иные вещества.
Биологическим насосом называется молекулярный механизм, локализованный в мембране и способный транспортировать вещества. Концентрация такого вещества, как натрий, в большинстве клеток значительно ниже, чем во внешней среде. Для ионов калия характерно другое соотношение: их количество в клетке намного выше, чем в окружающей среде. В связи с этим ионам натрия присуще стремление проникнуть в клеточную оболочку, а ионы калия стремятся освободиться наружу. При данных обстоятельствах мембрана активизирует особую систему, выполняющую «насосную» роль, выравнивая концентрацию веществ: ионы натрия откачиваются на поверхность клетки, а ионы калия накачиваются внутрь. Данная особенность входит в важнейшие функции клеточной мембраны. Обмен осуществляется при помощи специальных белков, образующих в мембране так называемые каналы.
Внутриклеточная часть белка расщепляет молекулы АТФ. Это обеспечивает выведение из клетки трех ионов натрия и поступление двух ионов калия. Таким образом внутри клетки поддерживается высокая концентрация калия (в 35 раз выше, чем вне клетки) и низкая концентрация натрия (в 14 раз ниже внеклеточной). Это важно для создания электрических потенциалов на мембранах, процесса возбуждения в нервных и мышечных клетках, нормального протекания других внутриклеточных процессов.
Ну а откуда сам мембранный насос черпает энергию для своей работы? В попытках ответить на этот вопрос в 1966 году английский биохимик Петер Митчел выдвинул гипотезу, одно из положений которой гласило: поглощение света живой клеткой неминуемо приводит к тому, что в ней возникает электрический ток.
Гипотезу англичанина развили член-корреспондент РАН В.П.Скулачев, профессора Е.Н.Кондратьева, Н.С.Егоров и другие ученые. Было уточнено, что в мембране есть особые белки, которые разбирают молекулы солей на составные части положительно и отрицательно заряженные ионы, и они в конце концов оказываются по разные стороны. Так накапливается электрический потенциал, который даже удалось измерить - он составляет почти четверть вольта. Говорят, что за этими внешне малозначительными фактами могут последовать грандиозные практические последствия. Разобравшись как следует в свойствах мембраны, механизме работы ее насосов, ученые и инженеры когда-нибудь создадут ее искусственные аналоги. А те, в свою очередь, станут основой электростанции нового типа - биологических. В каком-нибудь месте, где всегда много солнца - например, в степи или пустыне, - люди раскинут на сотнях подпорок ажурную тонкую пленку, которая может покрыть площадь даже в десятки квадратных километров. А рядом поставят привычные трансформаторы и опоры ЛЭП. И произойдет очередное техническое чудо, основанное на патентах природы. "Сеть для ловли солнечного света" станет исправно давать электроэнергию, не требуя для своей работы ни гигантских плотин, как ГЭС, ни расхода угля, газа и иного топлива, как ТЭС. Достаточно будет одного солнца, которое, как известно, светит нам пока что бесплатно...
Заключение
В своей работе мы попытались найти объяснение простому физическому эксперименту - обнаружение электрических явлений в растениях. Объяснение это, как оказалось, отнюдь не является простым. «Заглянув» во внутрь растительной клетки, мы обнаружили сложнейшие процессы, которые там происходят, и убедились сколько интересного и важного пока сокрыто от нас.
Список литературы
- Галактионов С.Г., Юрин В.М. Ботаники с гальванометром. - М.: «Знание»,1979 г. - 144с.
- Галактионов С.Г. Биологически активные. - М.: «Молодая гвардия», 1988 г. - 270 с.
- Общая биология: Учебник для 10-11 кл. общеобразовательных учреждений. С.Ю.Вертьянов, под ред. Ю.П.Алтухова.- М.: Свято-Троицкая Сергиева Лавра, 2006 г.- 352 с.
- https://www.syl.ru/article/173336/new_kletochnaya-membrana-stroenie-i-funktsii