Биоэлектрические потенциалы

Биоэлектрические потенциалы — это электрические потенциалы, возникающие в тканях и отдельных клетках живых организмов. Они являются важнейшими компонентами процессов возбуждения и торможения.

История изучения

Первые научные данные о существовании «животного электричества» были получены в третьей четверти XVIII века при изучении электрических органов некоторых рыб, способных наносить удар. К этому же времени относятся основополагающие исследования Луиджи Гальвани, заложившие фундамент учения о биоэлектрических потенциалах.

Научная дискуссия (1791–1797) между Гальвани и Алессандро Вольтой о природе этого явления привела к открытию нового принципа получения электрического тока с помощью гальванического элемента.

• 1837 год: Карло Маттеуччи провёл первые прямые измерения биоэлектрических потенциалов с использованием гальванометров.
• 1848 год: Эмиль Дюбуа-Реймон начал систематическое изучение, показав, что между внутренним содержимым клетки (нерва, мышцы) и наружной средой в состоянии покоя существует стационарная разность потенциалов — потенциал покоя, который закономерно изменяется при возбуждении.
• 1868 год: Юлий Бернштейн разработал метод, позволивший впервые проанализировать форму кратковременного колебания потенциала — потенциала действия, возникающего при распространении возбуждения по нервному волокну.
• 1883 год: Николай Евгеньевич Введенский использовал телефон для прослушивания ритмических импульсов в нерве и мышце.

Дальнейший прогресс был связан с развитием электронной усилительной техники и применением практически безынерционных осциллографов (работы Дж. Бишопа, Дж. Эрлангера и Г. Гассера в 1930–1940-х годах).

Изучение потенциалов в отдельных клетках стало возможным с разработкой методики внутриклеточного отведения с помощью микроэлектродов. Ключевую роль сыграло использование гигантских аксонов кальмара. Исследование зависимости проницаемости их мембраны для ионов Na⁺ и K⁺ от мембранного потенциала позволило Алану Ходжкину, Эндрю Хаксли и Бернарду Кацу (1947–1952) расшифровать ионный механизм возникновения потенциала действия и сформулировать мембранную теорию биоэлектрических потенциалов.

Биоэлектрические потенциалы у растений

Изучение электрогенеза у растений шло параллельно с исследованиями на животных.

• 1882 год: Эмиль Дюбуа-Реймон доказал общность биоэлектрических явлений у животных и растений.
• Первоначально внимание привлекали растения с выраженными ростовыми движениями (мимоза, венерина мухоловка, росянка).
• 1926 год: Джагдиш Чандра Бос установил, что биоэлектрические потенциалы и электрические ответы на раздражители присущи всем растениям. Созданные им чувствительные самопишущие гальванометры позволили получить специфические «автографы» растений — записи их электрических реакций на физические и химические раздражители.

Классическим объектом для изучения ионной природы биопотенциалов у растений стали крупные клетки харовых водорослей (например, рода Nitella).

Значение и применение

Изучение биоэлектрических потенциалов имеет фундаментальное значение для понимания физико-химических основ жизнедеятельности. В клинической практике оно широко применяется с диагностической целью:

• Электрокардиография (ЭКГ)
• Электроэнцефалография (ЭЭГ)
• Электромиография (ЭМГ) и другие методы.