В конце XVIIIв. (1786) профессор
анатомии Болонского университета Луиджи
Гальвани провел ряд опытов, положивших
начало целенаправленным исследованиям
биоэлектрических явлений. В первом
опыте, подвешивая с помощью медного
крючка на железной решетке препарат
задних лапок лягушек со снятой кожей,
ученый обнаружил, что всякий раз,
когда мышцы касались решетки, они
отчетливо сокращались. Л. Гальвани
высказал предположение о том, что
сокращение мышц является следствием
воздействия на них электричества,
источником которого выступают
«животные ткани» — мышцы и нервы.
Однако другой итальянский исследователь
— физик и физиолог Вольта — оспорил
это заключение. По его мнению, причиной
сокращения мышц был электрический ток,
возникающий в области контакта двух
разнородных металлов: меди и железа
(гальваническая пара) — с тканями
лягушки. С целью проверки своей гипотезы
Л. Гальвани поставил второй опыт, в
котором нерв нервно-мышечного
препарата набрасывался на мышцу
стеклянным крючком так, чтобы он касался
поврежденного и неповрежденного ее
участков. В этом случае мышца также
сокращалась. Во втором опыте были
получены абсолютные доказательства
существования «животного
электричества».
Окончательное доказательство
существования электрических явлений
в живых тканях было получено в опыте
Матеуччи, в котором один нервно-мышечный
препарат возбуждался током, а биотоки
сокращающейся мышцы раздражали нерв
второго нервно-мышечного препарата.
3 Мембранный потенциал покоя. Метод регистрации, механизмы происхождения и поддержания
Для исследования биоэлектрических
явлений (рис. 2) в клетках применяют
микроэлектроды (стеклянные пипетки,
наполненные электролитом, с очень
тонким – 0,5 мкм – кончиком). В таком
микроэлектроде электролит играет роль
проводника тока, а стекло – изолятора.
Когда кончик микроэлектрода находится
в межклеточной жидкости, между ним и
индифферентным электродом (находящимся
там же) разность зарядов равна нулю
(рис. А). Если микроэлектрод ввести внутрь
клетки, то регистрирующая установка
мгновенно покажет некоторый постоянный
электроотрицательный потенциал по
отношению к электроду, расположенному
в окружающей клетку жидкости (рис. Б).
При выведении кончика микроэлектрода
из клетки возвратным движением или
прокалывание ее насквозь разность
потенциалов между электродами
скачкообразно исчезает. Разность зарядов
между внутренней и наружной сторонами
мембраны клетки называют мембранным
потенциалом (МП). В покое эта величина
варьирует от -9 до -100 мВ в зависимости
от вида ткани и называется мембранным
потенциалом покоя (МПП). Следовательно,
в состоянии покоя клеточная мембранаполяризована. Уменьшение величины
МПП называютдеполяризацией,
увеличение –гиперполяризацией,
восстановление исходного значения
–реполяризацией мембраны (рис.3).
МПП играет исключительно важную роль
в жизнедеятельности самой клетки и
организма в целом. В частности, он
составляет основу возбуждения и
переработки информации нервной клеткой,
обеспечивает регуляцию деятельности
внутренних органов и опорно-двигательного
аппарата посредством запуска процессов
возбуждения и сокращения в мышце.
Нарушение процессов возбуждения в
кардиомиоцитах ведет к остановке сердца.
Согласно мембранно-ионной теории
(Бернштейн, Ходжкин, Хаксли, Катц)
непосредственной причиной формирования
МПП является неодинаковая концентрация
анионов и катионов внутри и вне клетки
(рис. 4).
И опыт к. Маттеучи)
Биоэлектрические явления
в возбудимых тканях могут быть обнаружены
как биологическим, так и физическим
методом с помощью приборов. Хотя
биологический метод в настоящее время
утратил свое значение как метод
исследования, для физиолога он всегда
будет представлять интерес благодаря
исключительной роли, какую он сыграл в
истории открытия биоэлектрических
явлений. Именно биологический метод
позволил Гальвани впервые бесспорно
доказать существование «животного
электричества» и тем самым положить
начало новому направлению в физиологии
– учению об электрических процессах в
организме.
Задача 1 Воспроизведение первого опыта Гальвани (сокращение с металлом)
Суть первого опыта Гальвани
состоит в том, что при соприкосновении
нервно-мышечного препарата с биметаллическим
пинцетом наблюдается сокращение мышцы
(рис. 83).
Рис. 83. Схематическое
изображение первого опыта Гальвани
(Балконный опыт) с биметаллическим пинцетом
А – одна бранша(1)пинцета контактирует с объектом
в области крестцового нервного сплетения;
вторая бранша(2)не контактирует;Б
– сокращение мышц
конечностей при
замыкании цепи (обе бранши контактируют
с объектом)
Для
работы необходимы:биметаллический
пинцет, состоящий из медной и железной
браншей, препаровальный набор, пипетка,
вата, раствор Рингера.
Объект
исследования – нервно-мышечный
препарат лягушки.
Проведение
работы.
Готовят нервно-мышечный препарат двух
задних лапок лягушки, не отделяя их друг
от друга. Подводят одну браншу
биметаллического пинцета под корешки
крестцового отдела спинного мозга
лягушки, стараясь при этом не касаться
препарата другой браншей. При
соприкосновении второй бранши с мышцами
бедра лягушки возникает сокращение
мускулатуры всего препарата, частота
сокращений соответствует частоте
соприкосновений. При подсыхании препарата
сокращения мышцы могут исчезнуть,
поэтому в течение опыта следует обильно
орошать препарат раствором Рингера.
Результаты работы и их
оформление. Запишите
в протокол и зарисуйте схему опыта;
укажите, что доказал первый опыт Гальвани.
Задача 2 Воспроизведение второго опыта Гальвани (сокращение без металла)
Второй опыт Гальвани состоит в том, что
сокращение мышц лапки лягушки
воспроизводится без участия металла
путем набрасывания отпрепарированного
седалищного нерва на поврежденный
участок мышцы голени. Разность потенциалов
между наружной поверхностью мышцы и ее
внутренней частью проявляется в случаях,
когда мышца повреждена. Потенциал,
возникающий между неповрежденным и
поврежденным участками, получил название
потенциал повреждения. Когда
набрасываемый нерв попадает на
поврежденный электроотрицательный
участок мышцы, происходит замыкание
цепи, в которой роль положительного
полюса играют неповрежденная поверхность
мышцы и участок соприкасающегося с ней
нерва. Таким образом, во втором опыте
Гальвани причиной возбуждения нерва
является раздражающее действие тока,
возникающего непосредственно в тканях.
Для
работы необходимы:набор препаровальных
инструментов, стеклянный крючок,
стеклянная пластинка, раствор Рингера.
Проведение работы.
Часть мышцы нервно-мышечного препарата,
прилегающую к коленному суставу,
повреждают, кладут препарат на стеклянную
пластинку и на поврежденный участок
мышцы стеклянными крючками набрасывают
нерв так, чтобы его средняя часть касалась
неповрежденной поверхности мышцы (рис.
84).
Результаты работы и их
оформление. Запишите
в протокол результаты и зарисуйте схему
опыта. Объясните механизм возникновения
электрического тока, вызывающего
сокращение мышцы во втором опыте
Гальвани.
Рис. 84. Второй
опыт Гальвани:
А иВ–
способы набрасывания нерва
Соседние файлы в папке Mail to Stud Pharm
СНЕГИРЁВА, О. ЩЕЛЫКАЛОВА,
СОШ № 58, г. Иваново
2. Наблюдение явления
электромагнитной индукции
В вашем распоряжении имеется
оборудование для исследования явления
электромагнитной индукции: магнит, проволочная
катушка, миллиамперметр. Подключите
миллиамперметр к катушке, исследуйте возможные
способы получения индукционного тока в катушке.
Сделайте вывод об условиях, при которых
возникает электрический ток.
Ответ. Индукционный ток возникает
при введении и выведении магнита из катушки;
направление тока зависит от полярности магнита и
направления движения магнита относительно
катушки.
3. Использование фотоэффекта. Начало
исследований было положено в 1887 г. немецким
физиком Г.Герцем. Он установил, что при
УФ-излучении электрическая искра между двумя
металлическими стержнями-электродами
проскакивает при меньшей разности потенциалов,
чем в отсутствие излучения. Детально фотоэффект
изучался с 1888 г. Первыми исследователями были
русский физик А.Г.Сто-летов, немецкий физик
В.Гальвакс и итальянский физик и инженер А.Риги
(именно Риги и назвал это явление фотоэффектом
– возникновением тока в цепи при освещении).
Другой немецкий физик, Ф.Ленард, вскоре понял, что
фотоэффект – это испускание электронов
веществом под действием света, причём
максимальная кинетическая энергия этих
электронов определяется частотой света и не
зависит от его интенсивности. Теоретическое
объяснение этого явления дал А.Эйнштейн в 1905 г.
При внешнем фотоэффекте
электроны выбиваются из освещаемой
металлической пластины, помещённой в вакуум и
служащей фотокатодом, и летят под действием
приложенного внешнего электрического
напряжения к другому электроду – аноду. В
результате во внешней цепи возникает
электрический ток. На этом типе фотоэффекта
работают фотоэлементы – устройства,
преобразующие световой поток в электрический
сигнал. Электрический сигнал можно усилить с
помощью электронных устройств и использовать
для управления какой-либо системой, например,
турникетом в метро.
Другой тип фотоэлементов, с внутренним
фотоэффектом (перераспределением под действием
света электронов по энергетическим состояниям в
твёрдых телах и жидкостях), – фоторезисторы. Под
действием света они изменяют своё электрическое
сопротивление, благодаря чему меняется и ток в
цепи. Фоторезисторы в отличие от фотоэлементов с
внешним фотоэффектом могут реагировать на
инфракрасное (длинноволновое) излучение. С их
помощью измеряют распределение температуры
слабо нагретых тел. Специальные приборы
позволяют, например, снять карту температуры
поверхности человеческого тела и по ней сделать
вывод о здоровье человека. Солнечные батареи
обеспечивают энергией космические корабли. Они
составлены из множества полупроводниковых
фотодиодов, преобразующих свет в электрическую
энергию. При освещении фотодиода один его
электрод заряжается положительно, а другой –
отрицательно. Если между электродами включить
резистор, то через него потечёт ток.
Вопросы и задания к тексту
– Что называют фотоэффектом?
– Кто из учёных занимался
исследованием фотоэффекта?
– В каких приборах используется
явление фотоэффекта?
– Запишите основное уравнение
фотоэффекта.
1. Найдите число протонов и
нейтронов, входящих в состав трёх изотопов
магния:
Ответ. Протонов 12, нейтронов 12;
протонов 12, нейтронов 13; протонов 12, нейтронов 14.
3. Открытие животного
электричества. Днём рождения науки
электробиологии по праву считается 26 сентября 1786
г. В этом году итальянский врач и учёный Луиджи
Гальвани начинает новую серию опытов, решив
изучить действие на мышцы лягушки «спокойного»
атмосферного электричества. Поняв, что лапка
лягушки является в некоторым смысле
чувствительным элементом, он решил попробовать
обнаружить с её помощью это атмосферное
электричество. Повесив препарат на решётке
своего балкона, Гальвани долго ждал результатов,
но лапка не сокращалась ни при какой погоде.
И вот 26 сентября лапка наконец
сократилась. Но это произошло не от изменения
погоды, а оттого, что, будучи подвешенной к
железной решётке балкона на медном крючке, она
свисающим концом случайно коснулась решётки.
Гальвани проверяет: оказывается,
всякий раз, как образуется цепь
«железо–лапка–медь», тут же происходит
сокращение мышц независимо от погоды. Учёный
переносит опыты в помещение, использует разные п
ры металлов и
регулярно наблюдает сокращение мышц лапки
лягушки. Так был открыт источник тока, который
впоследствии был назван гальваническим
элементом.
Как же можно было объяснить эти
наблюдения? Во времена Гальвани учёные считали,
что электричество не может возникать в металлах,
что они могут играть только роль проводников.
Отсюда Гальвани заключает: источником
электричества в этих опытах являются сами ткани
лягушки, а металлы только замыкают цепь.
Вопросы к тексту
– Какую гипотезу пытался проверить
Л.Гальвани, начав в 1786 г. новую серию опытов с
лапкой лягушки?
– Какой вывод сделал Л.Гальвани на
основании своих опытов? В чём состояла
ошибочность его вывода?
– Из каких основных частей должен
состоять гальванический элемент?
– Если бы вы проводили опыты,
аналогичные опытам Л.Гальвани, то какие бы
дополнительные исследования (кроме проверки
разных пар металлов) вы бы осуществили?
Билет № 13
2. Измерение влажности воздуха с
помощью психрометра
В вашем распоряжении имеется прибор
для измерения влажности воздуха. Рассмотрите его
устройство. Подготовьте прибор к работе.
Определите влажность воздуха в классе и
объясните своё решение. Как можно определить
влажность воздуха, если у вас нет психрометра?
Ответ. С помощью
психрометрической таблицы по температурам
сухого и влажного термометров.
3. Тепловые двигатели и охрана
окружающей среды. В цилиндрах двигателя
происходит окисление мелкораспылённого и
испарённого топлива кислородом воздуха с
образованием углекислого газа и воды и
выделением тепла. За тысячные доли секунды,
отведённые на этот процесс при каждом такте
работы двигателя, часть топлива не успевает
сгореть. Продукты неполного сгорания
выбрасываются в атмосферу из выхлопной трубы.
Дизели выбрасывают ещё и сернистый ангидрид,
образующийся при горении топлива в цилиндрах. В
США, Японии, а также в России были установлены
предельно допустимые нормы выброса для
различных категорий автомобилей.
Из-за загрязнения изменяется климат.
Одна из гипотез состоит в том, что изменение
климата в ХХ в. является следствием повышения
среднеглобальной приземной температуры воздуха
(она повысилась примерно на 0,5 °С). В атмосфере
возросла концентрация парниковых газов,
углекислоты, метана, хлорфторуглерода, оксида
азота. Молекулы этих газов поглощают тепловое
излучение поверхности Земли и частично излучают
его обратно, создавая так называемый парниковый
эффект. Из-за изменения климата исчезают
отдельные виды животных и птиц, например, исчезла
реликтовая чайка. Уже так много видов животных
занесено в Красную книгу!
Ведётся борьба и с шумовыми
загрязнениями, которые наблюдаются в больших
городах с огромным количеством автомобилей:
запрещаются звуковые автомобильные сигналы,
сирены.
Сейчас создаются различные
природозащитные движения. Гринпис – это
экологическое движение, созданное в 1971 г. Его
задача – охрана окружающей среды. Штаб-квартира
находится в США. По заявлениям руководства
организации, Гринпис абсолютно не получает
государственного финансирования, а его огромный
бюджет складывается из частных пожертвований и
взносов.
– Что называется тепловым
двигателем?
– Каков КПД двигателей внутреннего
сгорания?
– По какой формуле определяется КПД
машины Карно?
– Каким образом можно уменьшить
загрязнение окружающей среды, продолжая
использовать автомобили?
Билет № 14
1. а) Почему
существование красной границы фотоэффекта
говорит в пользу корпускулярной теории света и
против волновой?
Ответ. Не любой свет способен
вырывать электроны, всё зависит от частоты света,
а следовательно, и от энергии квантов.
б) Зависит ли спектр испускания
атомов от степени их ионизации?
3. Очистка газовых выбросов.
Борьба с загрязнением атмосферы – одна из
серьёзнейших проблем современности. Ежегодно на
земном шаре в воздух выбрасывается 250 млн т
золы, десятки миллионов тонн сернистого газа,
оксидов азота и других веществ, способных
сделать большие территории непригодными для
жизни людей, животных и растений, вызвать
коррозию машин, строений и аппаратов. Наиболее
радикальная защита – совершенствование
производственных процессов. Например, недавно в
нашей стране разработана технология
использования диоксида серы, выбрасываемого
предприятиями цветной металлургии. Технология
позволяет не только ликвидировать этот источник
загрязнения воздуха, но и получить дешёвую
серную кислоту.
В любом случае необходимо газовые
выбросы очищать. Вредные вещества в газообразном
состоянии удаляют путём абсорбции и адсорбции
или же подвергают каталитической реакции, в
результате которой они превращаются в неопасные
соединения. Очистку газов от твёрдых примесей
(пыли, дымов и туманов) проводят с помощью
гидромеханических процессов в фильтрах.
Например, высокоэффективные электрофильтры на
крупных современных тепловых электростанциях и
на теплоэлектроцентралях нашей страны,
сжигающих твёрдое топливо, обеспечивают очистку
дымовых газов от золы на 99%. А ведь недавно ТЭЦ
были основным источником загрязнения воздуха.
Сжигание топлива сопровождается
выделением в атмосферу углекислого газа,
способного поглощать тепловое инфракрасное
излучение поверхности Земли. Рост концентрации
углекислого газа в атмосфере приводит к
повышению её температуры. Ежегодно температура
атмосферы Земли повышается на 0,05 °С. Этот
эффект может создать угрозу таяния ледников и
катастрофическое повышение уровня Мирового
океана.
Продукты сгорания топлива существенно
загрязняют окружающую среду. Углеводороды,
вступая в реакцию с озоном, находящимся в
атмосфере, образуют химические соединения,
неблагоприятно воздействующие на
жизнедеятельность растений, животных и человека.
Потребление кислорода при горении
топлива уменьшает содержание кислорода в
атмосфере.
Для охраны окружающей среды широко
используют очистные сооружения, препятствующие
выбросу в атмосферу вредных веществ, резко
ограничивают использование соединений тяжёлых
металлов, добавляемых в топливо, разрабатывают
двигатели, использующие водород в качестве
горючего, создают электромобили и автомобили,
использующие солнечную энергию.
– В чём состоит отрицательное
воздействие тепловых двигателей на окружающую
среду?
– Какие методы защиты окружающей
среды используют в настоящее время?
– Что такое парниковый эффект?
– Какие методы охраны окружающей
среды можете предложить вы?
Билет № 15
2. а) К какому виду
излучения (тепловому или люминесцентному)
относится свечение: А) раскалённой отливки
металла; Б) лампы дневного света; В) звёзд;
Г) некоторых глубоководных рыб?
Ответ. А) тепловое;
Б) люминесцентное; В) тепловое;
Г) люминесцентное.
б) Почему медицинская лампа,
дающая ультрафиолетовое излучение, называется
«горным солнцем»?
Ответ. В горах воздух разрежен,
ультрафиолетовое излучение интенсивное, поэтому
в горах опасно находиться без солнцезащитных
очков, можно быстро не только загореть, но и
сгореть. Медицинские лампы оказывают
аналогичный эффект.
3. Тормоз. Представьте себе,
что произошло бы на улице, если бы автомобили,
троллейбусы и автобусы не имели тормозов! Не
менее важны тормоза для грузоподъёмных и
технологических машин. Как замедлить машину. Как
удержать её от самопроизвольного движения? Как
быстро остановить? В этих случаях помогает
трение, – на нём основано устройство всех
механических тормозов.
Наибольшее распространение получили
тормоза колодочного типа. На вращающемся валу
машины – стальной барабан. К нему при торможении
снаружи или изнутри прижимаются колодки из
чугуна или другого материала, который в паре со
сталью барабана имеет высокий коэффициент
трения. Обычно колодки прижимают к барабану с
помощью рычагов, электромагнитных устройств или
сжатого воздуха. В автомобилях, например, для
этого в тормозной цилиндр под давлением
нагнетается масло.
Вместо колодочных часто применяют
дисковые тормоза. Они тормозят за счёт трения
между вращающимся и неподвижным дисками. Можно
встретить и ленточные тормоза. У них вместо
колодок к барабану прижимается охватывающая его
лента, покрытая усиливающим трение материалом.
Часто тормозные колодки или ленты
постоянно прижимаются к барабану весом груза,
подвешенного на рычаге, и отжимаются при помощи
электромагнита только на время работы механизма.
Такие тормоза называются грузовыми и
применяются в подъёмных кранах и различных
лебёдках для предотвращения самопроизвольного
опускания подвешенного на тросе груза.
В некоторых механизмах, например
редукторах, для предотвращения
самопроизвольного вращения ведомого вала
применяют самотормозящуюся червячную передачу.
Она отличается от обычных червячных передач
меньшим углом наклона винтовой линии червяка.
Благодаря этому трение, возникающее между
зубьями колеса и червяком при передаче движения
от колеса к червяку, надёжно препятствует
вращению механизма, а вращение от червяка к
колесу передаётся свободно.
В ряде случаев применяют храповое
устройство. Оно состоит из храпового (зубчатого)
колеса и стопорящего приспособления (собачки).
Собачка допускает вращение храпового колеса в
одну сторону и надёжно удерживает его при
попытке повернуть в обратную. Такое устройство
есть почти в любом пружинном механизме, например
в часах. Оно позволяет свободно заводить пружину,
но не даёт ей самопроизвольно раскручиваться.
Вопросы к тексту и задания:
– Перечислите виды тормозных
устройств.
– Сравните колодочные и ленточные
тормоза.
– Какое торможение применяется на
электротранспорте, кроме перечисленных в тексте?
– Что нужно знать для того, чтобы
рассчитать тормозной путь?
Билет № 16
2. Объясните происхождение
цвета синей бумаги.
Ответ. Все составляющие белого
света поглощаются, кроме синего, а синий проходит
(в стекле) или отражается.
3. Ледяная магия. Между
внешним давлением и точкой замерзания
(плавления) воды наблюдается интересная
зависимость. С повышением давления до 2200 атм
температура плавления понижается на 0,0075 °С на
каждую атмосферу. При дальнейшем увеличении
давления точка замерзания воды начинает расти:
при давлении 3530 атм вода замерзает при –17 °С,
при 6380 атм – при 0 °С, а при 20 670 атм – при
76 °С (получается горячий лёд).
При давлении 1 атм объём воды при
замерзании резко возрастает – примерно на 11%. В
замкнутом пространстве такой процесс приводит к
возникновению громадного избыточного давления.
Вода, замерзая, разрывает горные породы, дробит
многотонные глыбы.
В 1872 г. англичанин Боттомли впервые
экспериментально обнаружил явление режеляции
льда. Проволоку с подвешенными на обоих её концах
грузами кладут на кусок льда (температура 0 °С).
Проволока постепенно разрезает лёд, однако после
прохождения проволоки разрез затягивается
льдом, и в результате проволока проходит
насквозь, а кусок льда остаётся целым.
Долгое время думали, что лёд под
лезвиями коньков тает потому, что испытывает
сильное давление: температура плавления льда
понижается, и лёд плавится. Однако расчёты
показывают, что человек массой 60 кг, стоя на
коньках, оказывает на лёд давление примерно
15 атм. Это означает, что под коньками
температура плавления льда уменьшается только
на 0,11 °С. Такого понижения температуры
плавления явно недостаточно для того, чтобы лёд
стал плавиться под давлением конькобежца,
например, при –10 °С.
– Как зависит температура
плавления льда от внешнего давления?
– Приведите два примера, которые
иллюстрируют возникновение избыточного
давления при замерзании воды.
– Попробуйте объяснить своими
словами, что может означать термин режеляция.
2. Наблюдение явления подъёма
жидкости в капилляре
В вашем распоряжении имеются
фильтровальная бумага, чернила, кусок сахара,
стакан подкрашенной жидкости, капиллярные
трубки, молочная бутылка, тонкая палочка.
Рассмотрите, как движется жидкость по
капиллярам, и объясните наблюдаемые явления.
Ответ. Жидкость по капиллярам
поднимается; высота подъёма зависит от диаметра
капилляра и от свойств жидкости.
3. Ау, вы меня слышите? В 1938 г.
американские исследователи Г.Пирс и Д.Гриффин,
применив специальную аппаратуру, установили, что
великолепная ориентировка летучих мышей в
пространстве связана с их способностью
воспринимать эхо. Оказалось, что во время полёта
мышь излучает короткие УЗ-сигналы на частоте
около 8•104 Гц, а затем воспринимает
эхо-сигналы, которые приходят к ней от ближайших
препятствий и от пролетающих вблизи насекомых.
Гриффин назвал способ ориентировки летучих
мышей по ультразвуковому эху эхолокацией.
УЗ-сигналы, посылаемые летучей мышью в полёте,
представляют собой серию очень коротких
импульсов, своеобразных щелчков. Длительность
каждого щелчка (1–5)•10–3 с; ежесекундно
мышь производит их около десяти.
Американские учёные обнаружили, что
тигры используют для коммуникации друг с другом
не только рёв, рычание и мурлыканье, но также и
инфразвук. Они проанализировали частотные
спектры рычания представителей трёх подвидов
тигра – уссурийского, бенгальского и
суматранского – и обнаружили в каждом из них
мощную ИЗ-компоненту. По мнению учёных, инфразвук
позволяет животным поддерживать связь на
расстоянии до 8 км, поскольку распространение
ИЗ-сигналов менее чувствительно к помехам,
вызванным рельефом местности.
Вопросы к тексту и выполните задания:
– В чём отличие ультразвука и
инфразвука от звуковых волн, воспринимаемых
человеком?
– Почему Г.Пирс и Д.Гриффин назвали
способ ориентировки летучих мышей эхолокацией?
Где ещё используется подобный принцип
обнаружения объекта?
– Объясните своими словами, как вы
понимаете словосочетание «частотный спектр».
– Почему инфразвук, в отличие от обычного
звука, позволяет тиграм общаться на столь
далёких расстояниях? Какие известные вам
свойства волн проявляются в данном случае?
(сокращение без металла)
Второй опыт Гальвани состоит в том, что сокращение мышц лапки лягушки воспроизводится без участия металла путем набрасывания отпрепарированного седалищного нерва на поврежденный участок мышцы голени. Разность потенциалов между наружной поверхностью мышцы и ее внутренней частью проявляется в случаях, когда мышца повреждена. Потенциал, возникающий между неповрежденным и поврежденным участками, получил название потенциал повреждения. Когда набрасываемый нерв попадает на поврежденный электроотрицательный участок мышцы, происходит замыкание цепи, в которой роль положительного полюса играют неповрежденная поверхность мышцы и участок соприкасающегося с ней нерва. Таким образом, во втором опыте Гальвани причиной возбуждения нерва является раздражающее действие тока, возникающего непосредственно в тканях.
Для работы необходимы: набор препаровальных инструментов, стеклянный крючок, стеклянная пластинка, раствор Рингера.
Объект исследования – нервно-мышечный препарат лягушки.
Проведение работы. Часть мышцы нервно-мышечного препарата, прилегающую к коленному суставу, повреждают, кладут препарат на стеклянную пластинку и на поврежденный участок мышцы стеклянными крючками набрасывают нерв так, чтобы его средняя часть касалась неповрежденной поверхности мышцы (рис. 84).
Результаты работы и их оформление. Запишите в протокол результаты и зарисуйте схему опыта. Объясните механизм возникновения электрического тока, вызывающего сокращение мышцы во втором опыте Гальвани.
Рис. 84. Второй опыт Гальвани:
А и В – способы набрасывания нерва
Вторичный тетанус (опыт Маттеучи)
К. Маттеучи показал, что можно вызвать сокращение мышц нервно-мышечного препарата, прикладывая нерв к сокращающимся мышцам другого препарата. Этот опыт свидетельствует о том, что в сокращающейся мышце возникают токи, причем настолько значительные, что их можно использовать в качестве раздражителя для нерва другого препарата. Эти токи получили название токов действия.
Для работы необходимы: стимулятор, держатель, набор препаровальных инструментов, раствор Рингера.
Объект исследования – два нервно-мышечных препарата лягушки.
Проведение работы. Готовят два препарата задних лапок лягушки. Мышцы бедра удаляют, а обе лапки за бедренную кость укрепляют в держателях (рис. 85). Нерв одного препарата помещают на электроды, а нерв другого располагают вдоль икроножной мышцы первого. Ритмически раздражая нерв вызывают тетаническое сокращение мышц первого препарата, наблюдают за сокращениями мышц второго.
Результаты работы и их оформление. Зарисуйте схему проведения опыта. Объясните механизмы возникновения токов действия.
Рис. 85. Опыт Маттеучи:
1 – нервно-мышечные препараты лягушки; 2 – держатели; 3 – раздражающие электроды
История открытия «животного электричества»
Возникновение и распространение возбуждения связано с изменением электрического заряда живой ткани, с там называемыми биоэлектрическими явлениями.
Электрические явления в животных организмах известны давно. Еще в 1776 г. они были описаны у электрического ската. Началом же экспериментального изучения электрических явлений в животных тканях следует считать опыты итальянского врача Луиджи Гальвани (1791). В опытах он использовал препараты задних лапок лягушки, соединенных с позвоночником. Подвешивая эти препараты на медном крючке к железным перилам балкона, он обратил внимание, что, когда конечности лягушки раскачивались ветром, их мышцы сокращались при каждом прикосновении к перилам. На основании этого Гальвани пришел к выводу, что подергивания лапок были вызваны «животным электричеством», зарождающимся в спинном мозге лягушки и передаваемым по металлическим проводникам (крючку и перилам балкона) к мышцам конечностей.
Против этого положения Гальвани о «животном электричестве» выступил физик Александр Вольта. В 1792 г. Вольта повторил опыты Гальвани и установил, что описанные Гальвани явления нельзя считать «животным электричеством». В опыте Гальвани источником тока служил не спинной мозг лягушки, а цепь, образованная из разнородных металлов, — меди и железа.
Вольта был прав. Первый опыт Гальвани не доказывал наличия «животного электричества», но эти исследования привлекли внимание ученых к изучению электрических явлений в живых образованиях.
В ответ на возражение Вольта Гальвани произвел второй опыт, уже без участия металлов. Конец седалищного нерва он набрасывал, стеклянным крючком на мышцу конечности лягушки; при этом также наблюдалось сокращение этой мышцы.
Опыт 21
Проделайте первый опыт Гальвани. Для этого обездвижьте лягушку и перережьте ее поперек тела в области верхних грудных позвонков. Захватив остаток позвоночника салфеточкой, снимите с задних конечностей кожу, а затем пинцетом удалите остатки внутренностей. Теперь хорошо видны нервные стволики крестцового сплетения, лежащие с обеих сторон позвоночника пучками. Подведите под оба пучка нервных волокон одну пластинку пинцета Гальвани, а другой пластинкой пинцета прикоснитесь к нервам сверху. Мышцы лапок при этом сокращаются (рис. 64, I). Пинцет Гальвани состоит из цинковой и медной пластинок. Объясните, почему сокращаются мышцы лапок в опыте Гальвани.
Опыт 22
Рис. 64. Первый (I) и второй (II) опыты Гальвани
Лягушку обездвиживают, берут левой рукой за бедра (в этом положении хорошо выделяется позвоночник) и перерезают позвоночник на 1-1,5 см выше места отхождения тазовых костей (рис. 65, 1). Свисающую переднюю часть туловища и внутренности удаляют. Остаток позвоночника крепко держат пинцетом или левой рукой. Другим пинцетом захватывают кожу около позвоночника и тянут ее вниз, чтобы, выворачивая, снять с конечностей (рис. 65, 2). Конечности кладут на чистую тарелку и заливают раствором Рингера. Руки моют или тщательно вытирают с них слизь, покрывающую кожу лягушки. Захватывают пинцетом или рукой кусочек позвоночника и подгибают его вниз так, чтобы конечности висели под углом к позвоночнику и хорошо выделялась копчиковая кость (рис. 65, 3).
Осторожно вырезают копчиковую кость. Ножницы при этом нужно держать как можно ближе к кости, чтобы не повредить идущие параллельно с обеих сторон нервы. Вырезав копчик, кладут препарат на тарелку и разделяют его на две половины. Для этого перерезают вдоль сначала остаток позвоночника, а затем лобковое сочленение (рис. 65, 4).
Одну конечность оставляют как запасную, сохраняя ее в растворе Рингера; другую кладут на спинную сторону и отделяют ножницами подвздошную кость. Захватив пинцетом кусочек позвоночника, отводят в сторону седалищный нерв и удаляют подвздошную кость. При помощи двух пинцетов раздвигают мышцу на спинной поверхности бедра по средней линии (рис. 65, 5). Осторожно, не касаясь ножницами и пинцетом нерва, отделяют его от окружающих тканей вдоль бедра до колена. (Лучше это делать стеклянным крючком.) Нерв отводят в сторону и бедренную кость освобождают от мышц (рис. 65, 6). На голени отделяют от кости икроножную мышцу, подрезав ахиллово сухожилие, и привязывают к нему нитку. Голень и стопу отрезают ниже колена (рис. 65, 7). Препарат кладут в стакан с раствором Рингера.
Опыт 23
Проделайте второй опыт Гальвани (сокращение мышцы без металла). Для этого нервно-мышечный препарат положите на дощечку. Отрежьте кусочек мышцы и стеклянным крючком быстро набросьте нерв препарата на пораненный участок мышцы так, чтобы он одновременно коснулся поврежденной и неповрежденной поверхности мышцы (рис. 64, II). Мышца при этом сокращается. Объясните, почему это происходит.
Гальвани все же оказался прав в своем утверждении о существовании «животного электричества», что позже было подтверждено исследованиями других ученых. В этом отношении интересны опыты Маттеучи, получившие название опытов вторичного сокращения.
Рис. 66. Схема опыта вторичного сокращения
Опыт 24
На мышцу одного нервно-мышечного препарата набросьте нерв другого нервно-мышечного препарата (рис. 66) и раздражайте электрическим током нерв первого препарата. Вы наблюдаете сокращение мышцы и второго препарата. Это объясняется тем, что при возбуждении в мышце первого препарата возникают токи действия, которые вызывают возбуждение второго нервно-мышечного препарата.
В дальнейшем в изучение биоэлектрических явлений очень важный вклад внесли русские ученые, среди них И. М. Сеченов, обнаруживший с помощью гальванометра электрические явления в головном мозге, Н. Е. Введенский, А. Ф. Самойлов.
В настоящее время имеются весьма совершенные, высокочувствительные приборы (электронно-лучевые трубки с электронными усилителями), позволяющие регистрировать электрические явления в животных тканях. Такими приборами являются катодные осциллографы.
Причина появления электрических токов, возникающих при возбуждении, заключается в том, что участок ткани (мышца, нерв и т. д.) в момент возбуждения заряжается электроотрицательно по отношению к другим участкам, находящимся в состоянии покоя, заряженным электроположительно. Таким образом возникает разность потенциалов — необходимое условие для появления электрического тока.