Центральная нервная система человека с точки зрения биофизики

Урок-конференция

9-й класс. Базовый курс

╚Физика не только может, но и должна глубоко вторгаться в биологию,
как  своими  средствами  исследования,   так  и  свойственными   ей
теоретическими представлениями╩.
Академик Л.А.Арцимович

Цели урока: расширение представлений учащихся о деятельности ЦНС человека; ознакомление с элементами биофизики человека; развитие навыков работы с дополнительной литературой, развитие монологической речи, воспитание любознательности.

Ход урока

(На экран через кодоскоп проецируется эпиграф, см. выше.)

Учитель (физики или биологии). Характерной приметой нашего времени является взаимопроникновение различных наук, рождение комплексных отраслей знаний и их бурное развитие. Например, буквально на наших глазах возникли такие науки, как биофизика, бионика, биохимия. Биофизика √ это наука о физических и физико-химических явлениях, протекающих в живых организмах и лежащих в основе жизненных процессов, а также о действии физических факторов на живые организмы. Сегодня мы рассмотрим работу ЦНС человека с точки зрения биофизики. (Далее можно воспользоваться идеей, предложенной А.С.Ильиной при проведении урока-конференции, т.е. организовать отчет ╚космической экспедиции╩, побывавшей на Земле.)

Председатель. Наша научно-практическая конференция посвящена важнейшему вопросу: регуляции физиологических процессов человека с помощью ЦНС. Земляне устроены так, что их жизнь невозможна без постоянной регуляции физиологических процессов в соответствии с собственными потребностями и изменениями, происходящими в окружающей среде. Предоставляю слово членам экспедиции. Первыми выступят космобиологи, которые расскажут о строении нервной системы человека и ее свойствах. (Космобиолог, используя плакаты с общей схемой строения нервной системы, строением нерва, расположением контактов на нейроне, рассказывает о строении и функциях нервной системы человека, демонстрирует коленный рефлекс.) Выступление космобиолога дополняют мои коллеги, астрофизики.

Первый астрофизик. Земляне представляют собой сложные биологические системы, поэтому, изучая процессы, происходящие в их организмах, мы обратились к методам, которые используются в таких точных науках, как физика и химия. Ведь человек состоит из атомов и молекул, подчиняющихся физическим и химическим закономерностям. Мой коллега космобиолог сказал, что по нервному волокну распространяется электрический импульс. Мы хотим немного рассказать об электрических явлениях, которые происходят на Земле.

Второй астрофизик. 1791 год. Профессор кафедры анатомии в Болонье (Италия) Луиджи Гальвани в книге ╚Трактат о силах электричества при мышечном движении╩ пишет: ╚Я разрезал и препарировал лягушку... Когда один из моих помощников острием скальпеля случайно очень легко коснулся внутренних бедренных нервов этой лягушки, то немедленно все мышцы конечностей начали так сокращаться, что казались впавшими в сильнейшие тонические судороги... Я зажегся страстным желанием исследовать это явление...╩ Но ответ на этот вопрос дал соотечественник Гальвани - Алессандро Вольта: живой организм проводит, пропускает через себя электрический ток. Именно Вольта и создал первый источник тока √ вольтов столб.

Я вам сейчас продемонстрирую такой источник тока. Нужно взять по пять пластинок из меди и цинка размером 30 ╢ 30 ╢ 4 мм и сложить их стопкой, чередуя и перекладывая промокательной бумагой, смоченной крепким раствором поваренной соли.

Если взять столбик мокрыми пальцами за торцы, то почувствуешь слабый, но явственный электрический удар! Если этот элемент подключить к гальванометру, он покажет наличие тока в цепи.

Прошел 121 год после статьи Гальвани, и в 1912 г. было обнаружено, что внутри человеческого организма протекают токи, хотя и очень слабые. Исследователи доказали, что любой процесс внутри человека: работа сердца и мозга, прохождение нервных сигналов, мышечные сокращения √ сопровождаются биологическими электрическими сигналами. Передаю слово своему коллеге.

Первый астрофизик. Мое выступление посвящено явлению, которое происходит при растворении кристаллов, например соли, в воде. На Земле этот процесс называют электролитической диссоциацией. Диссоциация √ это распад молекул электролита на ионы под действием полярных молекул растворителя:

Легче всего диссоциируют вещества с ионной связью. При их растворении диполи H₂O ориентируются вокруг положительных и отрицательных ионов.

Между ионами и диполями воды возникают силы взаимного притяжения. В результате связь между ионами ослабевает и происходит переход ионов из кристалла в раствор. Другими словами, в результате электролитической диссоциации в растворе образуются свободные носители зарядов: положительные и отрицательные ионы. (Астрофизик демонстрирует опыты по электролитической диссоциации и электролизу ╧ 80√82 по книге Н.М.Шахмаева, С.Е.Каменецкого ╚Демонстрационные опыты по электродинамике╩, √ М.: Просвещение, 1973, с. 169√171.) Итак, чтобы понять механизм передачи нервных импульсов потребовалось познакомиться с процессом электролитической диссоциации.

Третий астрофизик. Теперь я подробнее расскажу о том, как происходит передача нервных импульсов. (В процессе рассказа через кодоскоп демонстрируются рисунки из книги А.Винчестера ╚Основы современной биологии╩, с. 215.)

Оболочка аксона (мембрана) разделяет два водных раствора, в одном из которых содержатся положительные, а в другом √ отрицательные ионы, образующиеся в результате электролитической диссоциации. Эти растворы обладают почти одинаковой электропроводностью, но разным химическим составом. Общее количество положительных ионов уравновешено таким же количеством отрицательных ионов, т.е. в целом раствор, заполняющий живую ткань, электронейтрален. Перераспределение ионов может приводить к пространственному разделению зарядов разного знака в том или ином месте (вспомните, что происходит в источнике тока), т.е. к созданию электрического напряжения, которое в данном случае называют биопотенциалом.

В невозбужденном состоянии (рис. а) заряды распределяются так, что внутренняя сторона мембраны будет заряжена отрицательно, а внешняя - положительно. В результате возникает разность потенциалов около 60 мВ. Это потенциал покоя клетки. Если возникает раздражение, то мембрана в данном месте начинает пропускать положительно заряженные ионы Na+ внутрь клетки, и клетка заряжается положительно (рис. б). Это ╚спусковой крючок╩, который приводит в действие все новые и новые участки аксона. Изменение разности потенциалов неизбежно приводит к изменению натриевой проницаемости мембраны на соседних участках. В то же время, после того как ионы Na+ закончили на данном участке перемещаться внутрь аксона, прежние свойства мембраны восстанавливаются и как следствие восстанавливается прежний потенциал аксона. Таким образом, по аксону слева направо распространяется ╚всплеск╩ положительного потенциала √ это и есть электрический сигнал, несущий, например, мышцам команду сокращаться (рис. в).

Корреспондент. Можно задать вопросы?

1. Сколько времени требуется мембране, чтобы восстановить первоначальное состояние?
(Ответ: не более 0,001 с, т.е. за секунду по аксону может пройти свыше 1000 импульсов.)

2. Чем отличается нервный импульс в аксоне от электрического тока в проводе?
(Ответ: в медном проводе ток распространяется со скоростью, близкой к скорости света, в аксоне импульс движется со скоростью от нескольких метров в секунду до 100 м/с. У содержимого аксона удельное сопротивление примерно в 100 млн раз больше, чем у медной проволоки. Кроме того, изолирующая способность наружной мембраны примерно в миллион раз слабее, чем у оболочки хорошего кабеля. Если бы распространение электрического сигнала по аксону зависело только от электропроводности, то введенный в него сигнал затухал бы в пределах нескольких миллиметров.)

Председатель. Беседуя с членами экспедиции, я выяснил, что земляне, к сожалению, подвержены различным заболеваниям. Я узнал, что на Земле существует множество заболеваний, связанных с расстройством функций нервной системы. Я попросил бы специалиста по космической экологии осветить вопросы, связанные с лечением и профилактикой подобных заболеваний.

Первый космоэколог. Уже в XIX в. благодаря развитию естественных наук на Земле были сделаны первые удачные попытки использования законов физики и химии при врачевании болезней. Но наибольших результатов в диагностике и лечении медики достигли тогда, когда научились использовать физические приборы. Например, мы уже знаем, что ╚биологическое электричество╩ является неотъемлемым свойством всей живой материи. Оно возникает при функционировании нервной системы, при работе желез и мышц.

Регистрируя биопотенциалы, сравнивая форму сигналов определенного участка организма в здоровом и больном состоянии, легко установить причину заболевания. Для регистрации биопотенциалов можно использовать осциллографический метод. (Чтобы учащимся было понятно, можно показать осциллограмму звука, присоединив микрофон к осциллографу, поясняя, что биопотенциалы мозга отводятся при помощи электродов, накладываемых на различные точки кожи головы. Эти сигналы - электроэнцефалограмма - фиксируются на экране электроэнцефалографа или на ленте самописца.)

Определенные нарушения работы мозга вызывают определенные изменения биотоков. (Можно показать слайд с рис. 21, б из книги Ц.Б.Каца ╚Биофизика на уроках физики╩, с. 69.)

Более подробно о методах лечения неврологических заболеваний, например неврастении, вам расскажет мой коллега.

Второй космоэколог. Часто неврастения сопровождается головными болями (мигренями) и потерей сна. Как же снять головные боли? Этого можно достигнуть путем воздействия на мозг импульсами электрического тока через электроды, прикладываемые к коже. Метод позволяет сократить, а иногда и полностью исключить применение химических обезболивающих препаратов, избавить больного от их побочных действий. Например, в аппарате ╚Скат╩ импульсы переменного тока попеременно подаются с трех пар электродов, укрепленных на голове больного. Благодаря этому под воздействием оказываются практически все структуры мозга, ответственные за блокаду болевого раздражения. Частота импульсов меняется в интервале 400√1500 Гц, а амплитуда силы тока достигает 300 мА.

Человек примерно треть жизни проводит во сне. Полное лишение сна люди переносят гораздо тяжелее, чем голодание, и скоро погибают. В процессе сна клетки мозга восстанавливают свою работоспособность, активно усваивают питательные вещества, накапливают энергию. Сон восстанавливает умственную деятельность, создает чувство свежести, бодрости, вызывает прилив энергии. Поэтому земляне для лечения заболеваний центральной нервной системы используют электросон. Он используется при снижении работоспособности, повышенной утомляемости, головных болях и бессоннице.

Импульсный ток 2√8 мА через глаза по зрительным путям воздействует на подкорковые образования ЦНС. При этом вырабатываются вещества, вызывающие обезболивание, активизируются процессы тканевого обмена, улучшается снабжение тканей мозга кислородом, активизируется белковый и жировой обмен, повышается работоспособность, устойчивость к нагрузкам физического и эмоционального характера. Аппарат ╚Электросон╩ √ это ламповый генератор импульсов напряжения постоянной полярности, прямоугольной формы с периодом следования от 0,5 до 0,008 с. Длительность импульсов 1√4 с. Этот метод вполне заменяет снотворные, которые в той или иной мере вредны. (Импульсный ток прямоугольной формы можно продемонстрировать, используя осциллограф и приставку-генератор к лабораторному осциллографу ПГШ-1.)

Председатель. Итак, выслушав сообщения астробиологов, астрофизиков и космоэкологов, я пришел к выводу, что человек - это сложная биологическая система, которую необходимо изучать с точки зрения как биологии, так и других естественных наук: физики, химии, математики.

Мы рассмотрели только нервную систему человека. Нам предстоит послать на Землю экспедиции для изучения еще и других жизненно важных органов, связанных с кровообращением, слухом, зрением, пищеварением, дыханием и т.д. Наши космоэкологи должны выработать рекомендации по профилактике заболеваний и их лечению.