Удивительная электропроводимость. Электрические свойства живого организма

Четко и, казалось, незыблемо в химии существовали два направления, именуемые неорганической и органической химией.

Физика своими достижениями развивала и укрепляла материалистическое представление о мире как бесконечно существующей материи. То же происходило и в химии. В 1828 г. Ф. Вёлер впервые осуществил синтез мочевины. Теории о «жизненном начале» был нанесен серьезный удар. Началось слияние органической и неорганической химии. И главенствующим становится утверждение единства химии как общей науки.

Органическая химия, биохимия, а в последнее время и биоэлектрохимия — не что иное, как более сложные области неорганической химии. Пользуясь новейшими методами неорганической химии, можно разрешать проблемы соединений азота, углерода, представляющих собой основные вещества живого организма. Реальной становится возможность доказать образование живого из неживого.

Учение о живом и происходящих в нем процессах характеризуется внутренним единством, предполагающим существование биофизико-химической эволюции, на основе которой возникла биологическая эволюция, которая дала все разнообразные формы современных растений, животных и человека. Это положение, четко провозглашенное замечательным физиком-материалистом Дж. Берналом, успешно развивается биофизикой и биохимией. Идеи Бернала и других стали ведущими в работе Пятого Международного биохимического конгресса, состоявшегося в 1968 г. в Москве.

Глубокое изучение электрофизических свойств живой ткани приобретает огромное познавательное значение. Известно, что с возникновением живого организма любого вида начинаются биоэлектрические явления, которые гаснут и пропадают, когда живой организм погибает. Б. Н. Таруссов, да и не только он, рассматривает электропроводимость как один из параметров, характеризующих жизнедеятельность, добавим от себя — как один из параметров, отличающих живой организм от неживого. Крайне любопытно используется это положение в широко известной электродиагностике деятельности сердечной мышцы, фиксируемой кривой, именуемой электрокардиограммой. У погибшего организма она отсутствует. В состоянии умирания организма кривая изменяется по форме, амплитуде и интервалам между отдельными циклами.

Электрические свойства живого организма были обнаружены и стали предметом исследований в середине XIX века. В 80-х годах XIX века И. П. Тишков провел первые исследования электропроводимости тела живого человека. В своей работе, опубликованной в 1886 г., «О сопротивлении человеческого тела электрическому току» он приводит численные значения сопротивления, не раскрывая его закономерности.

Немецкий ученый В. Вебер, проводя аналогичные исследования, пытался доказать, что тело человека и любого иного живого организма можно по его электрофизическим характеристикам отнести к соленым растворам или к обычным электролитам. Несмотря на давность этого исследования, утверждение, что тело живого организма представляет собой по своим электрофизическим характеристикам соленый раствор, бытует и сейчас, хотя данные о том, что подобное утверждение неверно, основаны на богатейшем экспериментальном и теоретическом материале. В этом плане хочется остановиться, хотя бы очень кратко, на полупроводниковых свойствах живой ткани.

Перед самым началом второй мировой войны выдающийся венгерский ученый Альберт Сцент-Дьёрдьи высказал мысль о важности изучения «электрических свойств» живых тканей в познании электрофизики живого организма. По его мнению, ряд сложнейших явлений можно объяснить перемещением, движением электронов в макромолекуле или в группе молекул живого организма, обладающих очень слабыми электронными связями. К 70-летию А. Сцент-Дьёрдьи группой крупнейших ученых различных научных направлений был издан сборник работ «Горизонты биохимии» (М., 1964). В этих работах достаточно много внимания уделено описанию результатов исследований электронно-физических процессов в живом организме — в биотканях и биожидкостях. Особый интерес представляют работы Л. Бриллюэна, Д. Эли и Ж. Дюшена, так как в них биохимия рассматривается с позиций современной теоретической физики.

Блестящая идея сопоставления свойств гигантских биологических молекул со свойствами полупроводников, выдвинутая А. Сцент-Дьёрдьи, вызвала огромный интерес. Жизнь есть непрерывный процесс поглощения, преобразования и перемещения энергии различных значений и различных видов. Необходим механизм, объясняющий миграцию (перемещение) энергии вдоль молекул живого тела. Такой механизм, объясняющий многие процессы живого, — это электронная теория полупроводников, разработанная в физике твердого тела. Макромолекула живого во многом равнозначна молекуле полупроводника, хотя происходящие в ней явления гораздо сложнее.

В отечественных и зарубежных научно-исследовательских институтах проведен ряд экспериментов, показавших справедливость распространения явлений, свойственных органическим полупроводникам, на биологические объекты. Объектами исследований были различные виды белковых соединений, в том числе аминокислоты и ряд других жизнеопределяющих веществ организма. Мнение единодушно: перемещение электронов, их поляризация и нейтрализация, образование новых зарядоносителей, их взаимосвязь с электронами — вот направление исследований, которое раскроет перед человечеством многие тайны.

Это направление не противоречит основным положениям современной биологии, сформулированным С. Е. Бреслером во «Введении в молекулярную биологию» (М.; Л., 1966). Согласно формулировке С. Е. Бреслера главными переносчиками энергии в живых организмах являются, например, нуклеозидтрифосфаты. Для их структуры характерна цепочка из трех ангидридносвязанных молекул фосфорной кислоты. Связь между фосфатами называют макроэргической, так как гидролиз соединения фосфатов идет с большим уменьшением свободной энергии. Эти соединения охотно отдают свой фосфат другим молекулам. Более подробная расшифровка этого положения, безусловно, прямо и косвенно будет связана с расшифровкой движения и миграции зарядоносителей.

Хочется отметить то главное, что уже сейчас дает изучение биообъектов с позиций теории полупроводников. Во-первых, найдены элементы и даже молекулы в целом, играющие роль доноров, отдающих электрон, и акцепторов, отбирающих его у своих соседей. Во-вторых, установлена принципиально новая особенность электрофизических свойств биообъектов, которая практически не наблюдалась ни в неорганических, ни в органических полупроводниках, а именно крайне малые значения энергии связи.

Для того чтобы произошла обычная ионизация растворов или жидких кристаллов, необходима энергия 20—30 эВ. Для большинства гигантских биологических молекул эта энергия составляет единицы электрон-вольт и даже дробные значения их. И такие данные получены для самых различных биологических объектов.

Существует предположение, что носителями зарядов являются те электроны, которые перемещаются посредством известного в науке о полупроводниках явления, называемого туннельным эффектом. Благодаря туннельному эффекту электроны переходят из одной молекулы в другую.

Экспериментальная техника для изучения электрофизических свойств биологических объектов постоянно совершенствуется. Для их исследований используются установки и аппаратура, позволяющие определять электрофизические характеристики этих объектов в абсолютно сухом виде при высоком вакууме. В таких установках удалось оценить электропроводимость большинства белков в разных диапазонах температур. Во многих видах белков и белковых соединений поляризация мала. Это означает, что проводимость обусловлена носителями зарядов типа электрон — дырка, так как зависимость проводимости белков от температуры при отсутствии каких-либо примесей линейна. Ряд аминокислот имеет сходные значения проводимости и те или иные зависимости от факторов окружающей среды (см. гл. 1, § 5).

Особенностью электрофизических свойств белковых и других биологических объектов является также огромная подвижность зарядоносителей. Результаты, позволяющие установить это, получены путем применения к белковым соединениям теории потенциального барьера. По- видимому, в этом случае большое значение имеют углеродно-кислородные и водородно-азотные связи. В такой системе водородных связей возбужденный электрон посредством туннельного эффекта может проникать через потенциальный барьер, а следовательно, мигрировать по всей системе белковой молекулы. Это приводит к значительному суммарному смещению электрона и обусловливает его подвижность, делая белковую систему высоко- проводящей. Имеется ряд работ, свидетельствующих о том, что наличие воды приводит к увеличению диэлектрической постоянной белковой системы, а это способствует образованию и разделению ионов. Показано, что в этом случае преобладающими носителями зарядов являются протоны.

Краткое изложение особенностей электрофизических явлений в биообъектах позволяет утверждать, что носителями зарядов в белках и других элементах живого организма являются ионы, которые в совокупности с системой электронно-дырочной проводимости создают единую, присущую только живому организму проводимость. При увеличении содержания воды зарядоносителями могут быть преимущественно протоны, в высушенных белках, по-видимому, — электроны. Но здесь пока много и противоречивых результатов исследований. Ряд авторов, например, установили, что включенное в белок незначительное количество вещества, содержащего хлор и называемого хлоранилом, играет роль акцептора.

Это вещество повышает общую проводимость белков примерно в миллион раз. В то же время добавление воды уменьшает проводимость в 10 раз. Вода служит донором электронов, и, по-видимому, вначале ее действие сводится к тому, что заполняются дырки и уменьшается проводимость в 10⁶ раз, а затем электроны передаются белкам и проводимость возрастает, но в меньшей степени— в 10⁵ раз, т. е. в целом, как было сказано, присутствие воды ухудшает проводимость в 10 раз.

Наряду с белками в организме важную роль играют нуклеиновые кислоты. По своей структуре, водородным связям и другим элементам они отличаются от белковых соединений, но имеют аналоги среди небиологических веществ (как, например, графит). Для них характерны общие электрофизические свойства белковых соединений. Так, энергия связи находится в пределах 1,0— 2,5 эВ. Удельная проводимость велика, но на несколько порядков меньше проводимости белков. Несколько ниже и подвижность зарядоносителей. Но в целом электрофизические характеристики и явления, их вызывающие, имеют общие закономерности с аналогичными характеристиками белков.

Нуклеиновые кислоты обладают присущими только им (из группы биообъектов) свойствами. Удалось установить, что нуклеиновые кислоты имеют пьезоэлектрические и термоэлектрические свойства. Оказалось, что эти свойства в значительной степени обусловлены наличие воды. Изменением количества воды можно менять и пьезоэлектрические свойства. Исследование явлений электропроводимости с помощью данной методики еще раз подтвердило наличие и у этих веществ пока еще не характеризуемой точно специфической проводимости.

Попытаемся подытожить изложенное. Достаточно большое число исследованных молекул, имеющих важнейшее значение в жизнедеятельности человека, животного, растения, обладают полупроводниковыми свойствами в кристаллическом и аморфном состоянии. Полупроводниковые свойства присущи и организованным биологическим системам. Например, палочки зрительной сетчатки имеют фотополупроводниковые свойства. Наряду с этим молекулы живых организмов обладают электронной проводимостью, аналогичной проводимости некоторых полимеров, а возможно, и металлов.

Нарастающее число исследований электрофизических свойств биологических систем и организмов в целом раскрывают новые, специфические, присущие лишь живому организму явления электрофизики. Происходит взаимное обогащение биологии и технических наук — электротехники в первую очередь.

Действительно, если удастся искусственно воспроизвести системы, подобные белковым, и нуклеиновые кислоты, обладающие слабыми электронными связями, огромной проводимостью, полупроводниковыми свойствами и особой чувствительностью, характеризуемой изменением электрического сигнала в зависимости от давления и температуры, то перед электротехникой откроется новый этап развития.

В то же время возможность применения методов исследования современной теоретической и экспериментальной физики, и в частности электроники, для исследования электрофизических свойств биологических систем откроет новый этап в развитии биологии, в познании организма человека и его недугов.