Биопотенциал — что это такое?

Вернемся к содержанию первых параграфов, в которых излагались некоторые явления физики элементарных частиц. На этот раз рассмотрим их на примере потенциала.

Понятие «потенциал» используется в народном хозяйстве очень широко, причем в самых различных областях науки и техники. В Большой советской энциклопедии потенциал трактуется как энергетическое понятие. Имеются прямые и косвенные основания определять потенциал как один из основных параметров, характеризующих энергетическое состояние природы и общества, их различных сторон. Например, экономический потенциал характеризует возможности того или иного государства в хозяйственной, производственной деятельности, промышленный уровень производства.

Важнейшую роль приобретает понятие потенциала в биоэнергетике, особенно в раскрытии природы электрических явлений живого организма. Исходя из того, что потенциал — интегральное энергетическое понятие, рассмотрим его составляющие — потенциалы ионизационный и биоэлектрический. В жизнедеятельности человека, несомненно, имеет значение и биомагнитный потенциал. Первые публикации о результатах изучения этого потенциала, его роли и значении в биологии и медицине появляются только в 70-х годах, и до обобщений, которые могли бы стать основанием для серьезных выводов, еще далеко.

Но вернемся к ионизационному потенциалу и рассмотрим простейшую элементарную систему — атом водорода.

Вокруг ядра водорода перемещается по определенной оболочке электрон, несущий отрицательный заряд электричества. Электрон удерживается на оболочке вблизи атомного ядра, обладающего положительным зарядом, электростатическими силами притяжения. Для того чтобы удалить электрон из системы атома водорода, требуется затратить энергию. Энергию, а она измеряется в электрон-вольтах, можно экспериментально определить: она составляет для водорода 13 эВ. (Электрон-вольт— очень небольшая величина, равная 1,6 ∙ 10^-19 Дж.) Лишенный электрона атом водорода превращается в положительно заряженный ион, в элементарную заряженную частицу, взаимодействие которой с веществом и средой будет иным. Затраченную энергию можно восстановить, если удаленный электрон вернуть в область действия электростатических сил ядра водорода.

Правомочно привести общее определение потенциала. Потенциал — это скалярная величина, численно равная энергии единицы точечного положительного электрического заряда в данной точке поля. Он равен работе, совершаемой при перемещении единицы электрического заряда из рассматриваемой точки в точку, потенциал которой условно принимается равным нулю (например, потенциал Земли или бесконечно удаленной точки поля).

На отрыв электронов от системы атома или молекулы требуются различные энергии. Напомним, что в среднем энергия связи (энергия, необходимая для отрыва) находится в пределах 30—50 эВ. В ткани живого организма энергия связи электронов с ядром во много раз меньше этой величины и в ряде случаев составляет доли электрон-вольта. Это — характерное отличие живого от неживого, и проявляется оно в первую очередь в мембране клетки.

Ионизационный потенциал — одно из употребительных и простых понятий. Но с ионизацией, происходящей в живом организме, дело обстоит значительно сложнее, хотя она обусловливает обменные процессы живого организма. Сложность состоит в том, что значение биопотенциала в причудливо организованных молекулах живого организма иногда весьма мало — не превышает сотых долей электрон-вольта, а электрон-вольт сам по себе очень мал. Измерять столь ничтожную энергию связи крайне трудно.

В биологических системах электроны имеют минимальные значения энергии, когда они связаны с кислородом в молекуле воды. С энергетической точки зрения вода — основа жизни живого организма. Но если вода— основа жизни, то почему ее ионизационный потенциал не принять за исходный и вести отсчет энергии от него? Так и делается. Относительно ионизационного потенциала воды (подчеркнем — воды живого организма) можно найти значения потенциалов ионизации всех биологических соединений. Получим шкалу ионизационных потенциалов — ее называют шкалой биопотенциала. Под ионизационным потенциалом сложного биологического соединения понимают энергию того электрона, у которого энергия связи минимальна.

Итак, биопотенциал—ионизационный потенциал биологических соединений, характеризуемый исключительно малым значением энергии связи. Но взаимодействия между элементарными частицами на этих уровнях энергии обусловливают макроявления, выражающиеся в частности, в суммарной биоэлектрической активности, при которой разность биопотенциалов достигает единиц милливольт. Изменения же этой разности отображают нормальные и патологические процессы, возникающие в организме. Разность биопотенциалов свидетельствует о реакции живого организма на факторы внешней среды, а «перемещение» электричества по организму — о вредном последействии внешних факторов.

Многое уже открыто в сложнейших областях электроники, каковыми являются биоэлектроника и биоэнергетика. Но это многое представляется нам только началом выявления новых закономерностей живой природы и одновременно началом становления новых путей развития электротехники на основе познания этих закономерностей живого.

Природа образования биопотенциала еще не раскрыта. Выдвинутые разнообразные гипотезы недостаточно убедительны, а подчас и просто противоречивы. Вот почему микроэлектроника, в первую очередь электроника твердого тела, электроника кристаллов — бурно развивающиеся области электротехники, позволяя выявлять закономерности электричества на атомном уровне, существенно поможет в раскрытии тайны электрической активности живого, а следовательно, и в раскрытии тайны его возникновения и существования.

Прежде всего, конечно, следует убедительно доказать наличие электронной и электронно-дырочной проводимости у биообъектов и специфику их проводимости в целом. Доказать это непросто, однако возможно, применяя достижения современной теоретической физики. В то же время гипотеза о специфике движения зарядоносителей в живой природе как наиболее существенном отличии живого от неживого, высказанная Сцент-Дьёрдьи и развитая его учениками различных специальностей, уже и сейчас не беспочвенна.