Бывает ли электричество в живых организмах
Дата публикации: 28 ноября 2019
Биоэлектричество относится к электрическим потенциалам и токам, которые возникают внутри живых организмов или производятся ими. Это результат преобразования химической энергии в электрическую. Такие потенциалы генерируются рядом различных биологических процессов и используются клетками для управления метаболизмом, проведения импульсов по нервным волокнам, для регулирования мышечного сокращения.
У большинства организмов биоэлектрические потенциалы различаются по силе: от одного до нескольких сотен милливольт. Наиболее важное различие между электричеством в живых организмах и типом электрического тока, используемого для производства света, тепла или энергии, заключается в том, что биоэлектрический ток представляет собой поток ионов (атомов или молекул, несущих электрический заряд), а стандартное электричество — это движение электронов.
Историческая справка
Биоэлектрические эффекты были известны с древних времён по активности таких электрических рыб, как нильский сом, электрический угорь. Сейчас измерение биоэлектрических потенциалов стало обычной практикой в клинической медицине. Но до XVII века европейские врачи и философы считали, что нервные импульсы передаются мозгу через какую-то органическую жидкость. Эксперименты двух итальянцев, врача Луиджи Гальвани и физика Алессандро Вольта, показали, что истинное объяснение нервной проводимости — это биоэлектричество.
В XIX веке Эмиль Дюбуа-Реймон, изобрёл и усовершенствовал приборы, способные измерять очень малые электрические потенциалы и токи, генерируемые живой тканью. Один из его учеников, немецкий учёный по имени Юлиус Бернштейн, полагался на гипотезу, что нервные и мышечные волокна поляризованы, с положительными ионами снаружи и отрицательными внутри, поэтому ток, который может быть измерен, — результат изменения этой поляризации. В начале XX столетья несколько британских исследователей определили химические вещества, участвующие в передаче информации между нервами и мышцами.
Потенциал клеточной мембраны
Все клетки животных обладают электрическими свойствами, обусловленными способностью клеточной мембраны поддерживать неравные заряды внутри и снаружи клетки. Клеточная оболочка полупроницаемая, это означает, что она образует селективный барьер для ионов, являющихся электрически заряженными атомами.
Таким образом, через мембрану накапливается две формы энергии:
Клетки, способные к электрической активности, показывают потенциал покоя, равный примерно 50 милливольтам. Когда клетка активирована, потенциал покоя может внезапно измениться, результат — внешняя её сторона становится отрицательной, а внутренняя — положительной. Это состояние сохраняется короткое время, после чего всё возвращается в исходное положение покоя, так что «источник дипольного тока» существует очень маленький период времени.
Эти токи, возникающие внутри активной мембраны, функционально значимы близко к месту их происхождения, но некоторые живые существа, такие как рыбы и медузы, эволюционно адаптировали этот случайный ток для фактического использования. Вырабатывающие электричество организмы обзавелись специальными органами, способными генерировать значительные разряды до 1 тыс. вольт, например, электрический скат. Кто-то из них пользуется своими способностями для самообороны, а для кого-то это способ добывать еду.
Электричество в организме человека
Все клетки используют свои биоэлектрические потенциалы, чтобы контролировать метаболические процессы, но некоторые специально используют токи для отличительных физиологических функций: нервные и мышечные клетки. Информация переносится импульсами (называемыми потенциалами действия), проходящими по нервным волокнам. Подобные импульсы в мышцах сопровождают мышечные сокращения. Среди других клеток, где специализированные функции зависят от поддержания биоэлектрических потенциалов, есть:
Как дополнение к потенциалам, возникающим в нервных или мышечных клетках, науке известны относительно устойчивые или медленно меняющиеся потенциалы. Они возникают:
В организме человека накапливается и статическое электричество. Когда электронам некуда деваться, заряд накапливается на поверхностях до тех пор, пока он не достигнет критического максимума и не разрядится крошечной молнией. Хотя возникающая внезапная мышечная реакция неприятна, обычно она безвредна.
Биоэлектричество — одна из основных форм энергии в организме человека. Движущиеся потенциалы действия — это основа для центральных функций организма, от которых зависит:
В частности, двигательные нервные сигналы приводят к сокращению мышц, вегетативные — контролируют дыхание и сердцебиение, сенсорные — собирают всю информацию из внешнего мира, включая предупреждения о повреждениях организма (боль). Измеряя биоэлектрические потенциалы в органах и тканях, люди сейчас могут диагностировать такие заболевания, как инфаркт миокарда, а также создавать беспроводные биоэлектрические записывающие устройства, которые используются в кибермедицине.
Вам нужно войти, чтобы оставить комментарий.
Поделись энергией своей: человек как зарядка для смартфона
Валерий Спиридонов, для РИА Новости
С увеличением мирового населения и развитием экономики уровень потребления электроэнергии непрерывно растет. В среднем каждые 15 лет количество потребляемой в мире энергии удваивается. По мере увеличения спроса, а также в связи с беспокойством по поводу влияния на экологию необходимость в альтернативных возобновляемых источниках энергии становится все более явной.
Пожалуй, наибольший интерес в качестве возможной альтернативы представляют исследования человеческого организма как генератора различных видов энергии.
Во-первых, экологичностью. Используются только тепловая энергия или кинетическая энергия движения, производимые человеком в повседневных условиях.
Во-вторых, экономия времени и ресурсов на хранение и передачу энергии для полезного применения.
Человек-электростанция
Первое научное исследование о способности живых организмов вырабатывать тепло появилось еще в VIII веке. В 1791 году итальянский ученый Луиджи Гальвани публикует результаты своей 25-летней работы под названием «Трактаты о силе электричества при мышечном движении». В трактате подтверждалось, что электричество присутствует в живом организме, а нервы служат своеобразными «электропроводами».
В XX веке ученым удалось доказать, что тело человека — «живая электростанция», которая в результате непрерывных химических реакций вырабатывает электроэнергию. И получила развитие отдельная наука электрофизиология.
Известны и своего рода «энергомощности» человека. Так, при одном вдохе вырабатывается один ватт, а спокойным шагом можно питать лампочку в 60 ватт и даже телефон. Во время отдыха человек генерирует около 100 ватт. А самая большая выработка энергии достигается при занятиях спортом — до 2000 ватт, например, при спринте.
К настоящему времени уже разработаны различные технологии аккумулирования тепла человеческого тела и устройства подзарядки от человека, которые условно можно разделить на устройства сбора энергии целой группы людей и гаджеты для индивидуального использования.
Пассивное тепло
Во Франции пассивный способ отопления здания позволяет снабжать «живым» теплом 17 квартир. Для этого агентство социального жилья Paris Habitat использует тепло тел пассажиров метро, проходящего под зданием. Теплый воздух транспортируется по трубам в теплообменники, которые отапливают само здание.
Энергия масс
Еще одна перспективная технология — сбор энергии потока людей. Японская East Japan Railway Company решила использовать группы посетителей в качестве перспективного генератора. Турникеты с пьезоэлементами разместили на станции в токийском метро, где каждый день проходят сотни тысяч человек. Подходя к турникету, посетители наступают на пьезоэлементы, вмонтированные в пол, и таким образом передают энергию от давления своего тела.
В Нидерландах установлены двери-генераторы при входе в торговый центр Natuurcafe La Port. Здесь работает эффект толчка. Одно такое устройство производит до 4600 кВт/час в год.
Энергия спорта
Инженеры, работающие над методами преобразования энергии движения людей, очевидно, не могли пройти мимо физкультуры и спорта. Одним из первых проектов в этой области стали велотренажеры Sport Art, играющие роль трансформатора. Они оснащены преобразователем энергии, позволяющим генерировать ток с напряжением в 120 вольт и подавать его сразу в энергосеть. За один цикл тренировки на таком тренажере удается получить от 400 до 800 ватт энергии. Это позволит зарядить кофемашину, пару телевизоров и ноутбуков. Устройство даже имеет мобильное приложение, которое подсчитывает количество произведенной энергии.
Есть и более технологичные изобретения, например футбольный мяч Socceket, трансформирующий в электричество кинетическую энергию удара. В момент удара образуемая энергия передается на механизм, подобный маятнику, который приводит в движение генератор. Генератор, в свою очередь, производит и аккумулирует электроэнергию. Мяч имеет выходную мощность в шесть ватт, достаточную для питания настольной лампы со светодиодом или другого небольшого устройства.
Человек-батарейка
Мечта почти всех пользователей карманных гаджетов — идешь по улице, а твой смартфон подзаряжается без всяких дополнительных аккумуляторов. Реализовать подобную идею в полной мере пока не удалось, но ученые постепенно движутся в этом направлении.
Корейские ученые разработали гибкий генератор размером 10 на 10 сантиметров, способный подзаряжать фитнес-браслеты. Энергия вырабатывается за счет разницы температуры человеческого тела и окружающей среды. Генератор производит до 40 милливатт энергии.
Похожую технологию представил швейцарский производитель «умных» часов Sequent. Часы работают за счет взмахов руки при ходьбе. И это не «самоподводка» механизма. Вместо пружины там установлен генератор, преобразующий колебания груза в электричество.
Исследователи университета Вандербильта изобрели элемент, позволяющий производить электрические токи любым движением человека. Устройство имеет небольшие размеры и может размещаться прямо на одежде. Его новизна в том, что собирается энергия даже самых незначительных движений, то есть на частотах до 0,01 Гц, и генерируется она непрерывно.
Уже есть и универсальные разработки. К примеру, пьезоэлектрическая пленка, которую можно использовать для аккумулирования энергии при печатании на клавиатуре. Или при ходьбе, если такую пленку разместить на одежде.
Электричество внутри нас
Ученые говорят, что человек является живым организмом исключительно благодаря электрическому току, который содержится в наших клетках. Без электричества не сможет функционировать нервная система человека, оно же отвечает и за работу нашего сердца.
Электрический ток в качестве лекарства
Впервые наука обратила внимание на способность живых организмов вырабатывать электричество в XVIII веке. Тогда итальянский ученый Луиджи Гальвани выпустил книгу «Трактаты о силе электричества при мышечном движении», где впервые заявил – электричество есть в каждом из нас, а принцип работы нервной системы человека схож с электрическими проводами.
В XIX столетии стало ясно, что сердце во время своей работы производит некоторое количество электричества. Первые электрокардиограммы были записаны Габриелем Липпманом с использованием ртутного электрометра. В конце XIX – начале XX веков были сделаны первые опыты в проведении электроэнцефалограммы головного мозга. Позже ученые доказали, что в нашем теле происходит много химических процессов, которые вырабатывают электричество. Появилась даже наука электрофизиология, которая изучает электричество в человеке.
Применять электричество для лечения организма ученые начали давно. Еще в Древнем Риме было известно лечение электрическими скатами. Клавдий Гален, личный врач императора Марка Антония, именно таким образом излечил больную спину самого императора, а также спасал от боли после ранений гладиаторов.
В начале XX века английский инженер Отто Овербек, который страдал хроническим заболеванием почек, попробовал лечиться, пропуская через свое тело ток небольшой силы. Вылечившись, он разработал прибор, который состоял из обычной батарейки и набора электродов. Их нужно было подносить к тем частям тела, которые требовали лечения. Изобретатель утверждал, что его прибор способен лечить любые заболевания, помогает в борьбе со старением, устраняет облысение и седину.
Стимулирующие импульсы
Электросудорожная терапия, ранее известная как электрошоковая, впервые появилась в 30‑х годах прошлого века и получила широкое распространение в 40‑е и 50‑е годы. При этой методике импульсные токи проходят через головной мозг пациента. На сегодняшний день этот метод используется для лечения психических и психопатологических расстройств, в том числе тяжелых депрессий и маниакального синдрома. Стоит отметить, что электросудорожная терапия может быть использована, только если другие методы лечения (лекарства и психотерапия) не дали результата.
Стимулировать токами можно многие органы, но наиболее широкое применение получила электростимуляция сердца. Электричество, содержащееся в нашем организме, отвечает за нормальную работу нашего сердца. Большое влияние на нормальное функционирование сердца оказывает ритмичность сокращений. Когда человек стареет, способность его системы проводить импульсы ухудшается. Нормализовать ритмы сердца поможет кардиостимулятор.
Под местной анестезией пациенту вводят электроды кардиостимулятора в различные участки сердечной мышцы под контролем рентгеновского излучения. После того, как электроды подключены к сердечной мышце, их свободные участки подключают к кардиостимулятору. Следующим этапом производится имплантация кардиостимулятора в область большой грудной мышцы. Контакт электрода с сердцем осуществляется через металлическую головку на конце провода. С помощью нее стимулятор следит за электрической активностью сердца и посылает электрические импульсы только тогда, когда они требуются.
Как любому электронному прибору, кардиостимулятору нужен источник питания, в роли которого выступает миниатюрная батарея. Замена кардиостимулятора на новый проводится в среднем через семь-девять лет, когда заряд батареи приближается к пороговому значению.
Электростимуляция проводится также тогда, когда необходимо устранить вялость мышц. Для этого был разработан миостимулятор – устройство для воздействия на мышцы тела с помощью электрических импульсов. К телу прикладываются клейкие гелевые электроды в непосредственной близости к стимулируемым мышцам. Посылаемые от устройства электрические импульсы похожи на импульсы нервной системы, которые заставляют мышцы сокращаться. Сокращения мышц при этом близки к произвольным двигательным сокращениям.
Такой аппарат способствует устранению последствий травм, ушибов, вывихов, переломов, снимает боли в спине, суставах, мышцах, борется с состояниями, связанными с малоподвижным образом жизни (ослабление и атрофия мышц). Миостимуляторы используются атлетами для восстановления мышц после тренировки. В косметологии этот прибор способствует коррекции фигуры и лечению целлюлита. Сжигание жиров происходит за счет того, что во время упражнений мышцам необходима энергия, которую они черпают из жировой прослойки.
Преобразовать сигнал в движение
Одна из последних разработок медицины – бионические протезы верхних и нижних конечностей. Если до недавнего времени протезы прикреплялись к человеческому телу механически и не имели никакой связи с нервной системой, то новейшие протезы считывают нервные сигналы и преобразуют их в движения.
Суть таких протезов состоит в том, что после ампутации культя сохраняет остатки имевшейся ранее мышечной ткани. Электроды считывают электрический ток, вырабатываемый мышцами культи в момент их сокращения, и эта информация передается на микропроцессор. Для электронной системы хватит даже незначительного сокращения мышечной ткани, чтобы привести протез в действие.
Бионические протезы верхних конечностей помогают восполнять важнейшие утраченные функции человеческой руки – осуществлять вращательные движения в кисти, захватывать и удерживать предметы. Последние модификации бионических протезов снабжены специальными сенсорными датчиками, контролирующими усилие захвата предмета, в результате чего появляется возможность брать такие хрупкие предметы, как стеклянный бокал или куриное яйцо, не боясь при этом их сломать или раздавить. Бионические протезы нижних конечностей позволяют добиться плавного движения без рывков. При такой конструкции ходьба становиться комфортной даже по пересеченной местности, можно подниматься и спускаться по лестнице без посторонней помощи.
Протезы работают на блоке автономного питания, который необходим для обеспечения энергией всех остальных частей и электроники протеза. Используются литий-полимерные аккумуляторы с большой емкостью, которые обеспечивают длительную работу протеза без подзарядки. Бионические протезы при активном использовании могут проработать в течение целого дня, вечером перед сном их нужно снимать и ставить батарею на зарядку.
Современные протезы имеют достаточный функционал для различных бытовых действий, но ученые продолжают над ними работать и хотят добиться чувствительности протезов. Такая технология позволяет человеку ощущать протез, как собственную конечность.
Ученые уже создали протез ноги, подошва которого оснащена шестью сенсорами. Они считывают информацию о поверхности почвы, передают ее нервным окончаниям, сохранившимся в ноге, и затем данные поступают в мозг. Разработан также протез руки, на кончиках пальцев которой находятся чувствительные сенсоры. Сигналы передаются по проводам прямо в соответствующие осязательные центры в мозге. Датчики реагируют на прикосновение, давление и изменение температуры окружающей среды. Человек может чувствовать прикосновения людей, а также отдернуть руку, если почувствует высокую температуру.
Семь проектов, которые используют человеческое тело как источник энергии
Фитнес-часы, водонагреватель, эко-танцпол и другие изобретения.
В связи с массовым выпуском беспроводных устройств корпорации и предприниматели стали задумываться над новыми способами зарядки и над футуристической идеей использовать тело человека в качестве своеобразной док-станции.
Внутри устройства все основные функции современных смарт-часов: подсчёт пульса и шагов, контроль режимов сна, сменные циферблаты, счётчик калорий и режимы тренировок. Также эти часы водостойкие и ударопрочные.
На центральном вокзале Стокгольма инженеры установили теплообменники для преобразования тепла, которое генерирует толпа, в горячую воду. Около 250 тысяч пассажиров ежедневно посещают центральный железнодорожный вокзал в Стокгольме.
Избыточное тепло, генерируемое за счёт дыхания и движения пассажиров, нагревает трубы с водой в здании. Потом нагретая вода используется для отопления соседних помещений. Такая система перекачки энергии снизила затраты на отопление смежного здания на 25%.
Такой доступный источник энергии, как тепло от движения толпы, может быть использован более продуктивно, чем сейчас. Совсем недорого переводить тепло от здания к зданию с помощью системы теплообменников по сравнению с затратами на отопление традиционными источниками. Тем более с учётом цены газа в Швеции.
В 2011 году исследователи из университета Берна (Швейцария) разработали микротурбину, которая может быть имплантирована в артерии для генерации энергии из кровотока. В теории турбина, действующая по принципу гидроэлектростанции, нуждается всего в двух элементах: текучей жидкости и генераторе.
Учёные решили, что вырабатываемую энергию можно собирать, поместив в вены и артерии человека крошечные генераторы. Однако в разработке, помимо огромного потенциала для применения в новой медицине, существует серьёзный потенциальный риск: блокировка кровотока, вызванная турбулентностью устройства.
Учёные из китайского университета Фудан в Шанхае усовершенствовали идею коллег из Швейцарии и разработали генератор на основе карбоновых нанотрубок. Это почти одномерное, лёгкое устройство, которое может быть имплантировано внутрь вены и вырабатывать электричество из кровотока, точно так же, как полномасштабный генератор — из проточной воды.
Устройство генерирует энергию путём погружения в проточный солевой раствор, например, в кровь в сосудах. По данным исследовательской группы, эффективность преобразования энергии от тока крови (23,3%) превосходит все другие миниатюрные устройства в мире.
Собранная таким устройством энергия может быть использована для зарядки кардиостимуляторов, датчиков артериального давления, микронасосов для инъекций лекарств и других систем, которые в настоящее время работают с помощью встроенных и недолговечных батарей.
Подробный отчёт о текущем состоянии разработки, потенциале применения и ограничениях можно найти в научном журнале Angewandte Chemie.
Проект Pavegen, основанный в 2009 году, провозгласил себя мировым лидером в области сбора энергии и данных из наших шагов. Технология Pavegen — это сложная инженерная система напольного покрытия.
Когда люди наступают на специальные плитки, их вес заставляет электромагнитные индукционные генераторы вертикально перемещаться, что генерирует электричество. Каждая плитка оснащена беспроводным интерфейсом, что позволяет собирать аналитику о движениях в реальном времени.
Основатели проекта предлагают использовать эту технологию, например, торговым точкам, чьи покупатели могут сэкономить для бизнеса электроэнергию, просто зайдя внутрь; или торговым центрам, чтобы сделать пространство здания более эффективным с помощью захвата энергии от прогулок людей по магазинам.
Также основатели предлагают создать валюту лояльности, основанную на шагах людей (похожая идея есть у проектов вроде Sweatcoin, которые платят или дают кэшбек пользователям за шаги и тренировки).
За лояльность и очное посещение магазина пользователи смогут получать скидки или внутреннюю валюту Pavegen. Каким образом в системе идентифицируются пользователи, зашедшие в магазин, не очевидно, хотя основатели обещают полную аналитику шагов клиентов.
Вход в клуб стоит десять фунтов стерлингов, но клиентов, которые могут доказать, что они пришли на вечеринку пешком или приехали на велосипеде, пускают бесплатно. Эндрю Хараламбус, глава Club4climate, сказал, что клуб сможет вдохновить молодых людей на борьбу с глобальным потеплением. «Наша цель, — как говорит основатель. — Открыть первый в стране эко-клуб и привлечь внимание людей к экологической ситуации в мире»
Команда клуба сообщает, что энергии, генерируемой за одну вечеринку в клубе, хватает для экономии 60% дневного счёта за электричество во всём здании.
Механическая энергия есть даже в самых мелких и незаметных процессах: воздух колеблется от нашего дыхания, кнопки на клавиатуре нажимаются от касаний при наборе текста.
Исследователи из Мичиганского университета разработали устройство, основанное на принципах пьезоэлектричества. Оно позволяет конвертировать энергию от прикосновений пользователя в электрическую, например, для подзарядки устройств с экранами или клавиатурой.
Такие преимущества, как лёгкость, гибкость, дешевизна и надёжность могут сделать новый материал удобным для подзарядки автономной электроники, в том числе беспроводных гарнитур, смартфонов и других сенсорных устройства.
Ещё одно свойство разрабатываемого покрытия — это кратное увеличение эффективности при сворачивании. Разработчики говорят, что если сложить лист материала в несколько раз и поместить в ботинки, то энергии, производимой при ходьбе, хватит для подзарядки беспроводных наушников.
Подробная информация о технологии.
Футуристические и пугающие эксперименты проводит датский научный институт старения. Исследователи изучают вопрос возможного замещения роботами и искусственным интеллектом существующих сегодня профессий и предложили новый способ заработка: производство биологических данных.
Пока учёные не могут чётко ответить на вопрос, как именно монетизировать информацию о наших кликах, лайках и публикациях, но в институте уверены, что в будущем корпорации будут платить огромные деньги за любые данные о естественном поведении человека в сети.
Один из наиболее масштабных экспериментов института — это исследование, посвящённое возможности использовать тепло человеческого тела для майнинга криптовалют. На подопытных надевают специальный костюм, который преобразует тепло в милливатты энергии, а далее майнинговые алгоритмы используют его для добычи развивающихся и новых криптовалют.
В то время, как майнинг биткоина уже стал дорогостоящим с точки зрения используемых ресурсов, для добычи лайткоинов или Dash энергии тела человека вполне хватает. За время эксперимента в нём приняло участие 37 человек, которые произвели 127 Вт энергии за 212 «отработанных» часов и намайнили около 16500 криптомонет, включая эфиры и лайткоины.
