естественные электрические процессы в живых организмах, лежащие в основе многих физиологических и поведенческих реакций. К проблемам биоэлектричества относят также все эффекты, возникающие в организме на различных его уровнях при воздействии электричества от внешних источников.
Биоэлектричество в классическом понимании. В 1791 Л.Гальвани обнаружил, что если к изолированной мышце лягушки прикоснуться металлическим предметом, то мышца сократится. Он объяснил это явление существованием "животного электричества". Проанализировав опыты Гальвани, А.Вольта пришел к заключению (1792), что электричество возникает в тот момент, когда металл касается мышцы; в дальнейшем его вывод лег в основу создания электрической батареи. Такие батареи стали использовать для лечения нервных и мышечных нарушений. Электротерапия широко вошла в медицинскую практику в 19 в., но с развитием биохимии и появлением новых лекарственных препаратов утратила прежнее значение.
Позже Гальвани показал, что мышцы лягушки сокращаются и в том случае, когда никаким металлическим предметом к ним не прикасаются. Это привело к выводу, что процессы, протекающие в нервной системе, имеют электрическую природу и что сокращение мышцы происходит в ответ на электрический сигнал, проходящий по нерву. Сигнал может возникать и произвольно; например, при подсоединении к нерву источника электрического тока последний генерирует нервный сигнал, запускающий мышечное сокращение. См. также БАТАРЕЯ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ; ЭЛЕКТРОХИМИЯ.
При достаточно большой силе тока, подводимого к ткани с помощью проводников или бесконтактным способом, выделяется тепло (на этом принципе основана работа микроволновой печи). Генерация тепла в тканях под действием электричества (диатермия) используется в лечебных целях.
Электрические сигналы регулируют работу сердца. Если через тело человека проходит электрический ток от внешнего источника, он нарушает сердечную деятельность и может вызвать остановку сердца и смерть. Электрический сигнал можно измерить, подведя проводники к любым двум точкам тела. У человека обычно исследуют электрические сигналы трех видов. Электроэнцефалография регистрирует относительно слабый, быстро изменяющийся сигнал в головном мозге. Записываемая при этом кривая - электроэнцефалограмма (ЭЭГ) - используется в исследовательских и диагностических целях. Какова конкретная физиологическая роль этого сигнала в норме - неизвестно. Электрокардиография регистрирует биоэлектрический потенциал работающего сердца; электрический сигнал в этом случае примерно в 100 раз мощнее. Электрокардиограмма (ЭКГ) широко используется для диагностики болезней сердца. Сигнал третьего вида, поверхностный электрический потенциал, сравним по величине с генерируемым сердечной мышцей, но меняется медленнее. Его происхождение и роль неизвестны.
Примерно до начала 1940-х годов термин "биоэлектричество" использовали в тех случаях, когда речь шла о нейрофизиологических исследованиях, об измерениях описанных выше электрических сигналов у человека или (главным образом в историческом контексте) о применении электричества в терапии.
Биоэлектричество в современном понимании. Все проявления жизнедеятельности организма зависят от сложных последовательностей химических реакций, в основе которых лежит, в частности, явление электричества. Иногда соответствующие процессы можно изучать, не рассматривая эти силы в явном виде. Такой подход вполне применим при исследовании, например, регуляции экспрессии генов или механизма иммунного ответа. Он гораздо менее успешен, когда речь идет о памяти, научении и регуляции регенеративных процессов. Трудности, с которыми сталкиваются исследователи, когда пытаются объяснить по крайней мере некоторые биологические явления - включая саму жизнь - исходя исключительно из биохимических концепций, заставляют их обратиться к биоэлектрическим факторам. На эту проблему впервые обратил внимание в 1941 венгерский биохимик А.Сент-Дьёрдьи. Он пришел к выводу, что феномен жизни нельзя должным образом объяснить просто наличием каких-то химических веществ: необходимо, чтобы эти вещества находились в определенном электрическом состоянии. Согласно этой точке зрения, живые и мертвые животные различаются по своему биоэлектрическому, а не биохимическому статусу. Эти идеи привели к возрождению интереса к биоэлектричеству.
Одним из первых результатов новых исследований в этой области стало обнаружение пьезоэлектрических свойств костной ткани, т.е. генерации в ней электричества при механическом воздействии (например, при нагрузке во время ходьбы). Известно, что если костная ткань не испытывает регулярной механической нагрузки, то ее механические свойства утрачиваются. Возможно, пьезоэлектричество - это "передаточное звено" между внешним воздействием (нагрузкой) и внутренними процессами (образованием новой костной ткани). Полученные экспериментальные данные подтверждают эту идею. Возможно, электротерапия окажется полезной при лечении инфекционных заболеваний, наркомании, рака.
Еще одно направление биоэлектрических исследований занимается изучением биологического эффекта высоковольтных линий электропередачи. Эти системы, а также радио- и телепередающие и радарные установки создают вокруг себя электромагнитное поле, которое может оказывать влияние на людей, постоянно живущих или работающих в нем. Интерес к этой проблеме возник в связи с публикацией данных об изменении роста и развития, а также эндокринных и нервных нарушениях у людей и животных, подвергавшихся действию электромагнитных полей в лабораторных условиях. В начале 1980-х годов появились данные о связи между длительным воздействием электромагнитных полей и развитием злокачественных опухолей, частотой самоубийств и возникновением других патологий.
Природные электрические и магнитные факторы оказывают несомненное влияние на жизненный цикл различных организмов. Бактерии, насекомые, птицы и, возможно, киты воспринимают магнитное поле Земли и используют эту способность для ориентации и навигации в поисках пищи и во время миграций.
Мы хорошо знаем, как устроены наши пять органов чувств - зрение, слух, обоняние, осязание, вкус; в них выявлены клетки, воспринимающие внешние стимулы, и нервы, по которым информация передается в мозг. Для большинства же биоэлектрических эффектов соответствующие клетки и пути передачи сигналов неизвестны. Механизм восприятия клетками электромагнитных полей объясняется двумя теориями, причем обе постулируют принципиально новые процессы. Согласно первой из них, между нервными клетками возможны кооперативные взаимодействия, зависимые от электромагнитных полей; согласно второй - восприятие поля происходит только в определенных условиях, а именно при наличии у клеток особого электрического статуса. Еще одна теория объясняет связь между воздействием электромагнитного поля и развитием того или иного заболевания: предполагается, что это воздействие вызывает стресс, и если оно достаточно длительное, то происходит ослабление иммунной системы, соответственно снижаются адаптивные возможности организма и на этом фоне легко возникает болезнь. См. также БИОЛОГИЯ; БИОСФЕРА; БИОФИЗИКА; БИОХИМИЯ; НЕЙРОМЕДИАТОРЫ.