Электробиофизика и техника электрического повреждения, страница 3

Рассматривая ЭМП электродной системы электротехнологического культиватора, следует учитывать, что биологические объекты имеют "компартментальное" строение, т.е. подраз­деляются на отдельные органы, ткани и жидкости; растительные ткани по линейным размерам вписываются в область с радиусом менее 1м. Во всех случаях биологическая ткань представ­ляет собой совокупность клеток, причем внутреннее пространство каж­дой клетки, заполненное внутриклеточным веществом, отделено от окружающей клетку среды (внеклеточной жидкости) мембраной, которая обладает особыми свойствами. Основными пассив­ными электрическими характеристиками вещества являются удельное электрическое сопротивление, диэлектри­ческая и магнитная проницаемости. Биологический организм характеризуется значительной неоднородностью пассивных электрических характеристик на всех структурных уровнях - на кле­точном (микроскопическом) и тканевом (макроскопическом), а так­же на уровнях отдельных органов и организма в целом, причем некоторые ткани обладают явно выраженной анизотропией. Некоторые активные и пассивные электрические свойства биообъек­тов  [19, 27-29, 49, 50, 70, 107, 112, 124] приведены в главе 4. Подробный анализ электрических характеристик биологических тканей в данной работе не рассмотрен.

Следует заметить, что при определенных условиях в биологической ткани могут возникать локальные изменения. Они могут быть вызваны патологическими изменениями или повреждением мембран клеток на отдельных участках ткани (например, при очаговой). В главе 4 приведен физический модельный подход описания биообъекта в ЭМП [27-29, 35, 49, 50, 64, 65, 70, 80, 98, 107, 116, 123]. Ниже представлено рассмотрение перечисленных вопросов на основе собственных исследований биологических эффектов ЭМП при электрокультивации [35, 49, 50, 68, 71, 94, 99, 122], выступающих для биосистем как раздражители различной силы нетеплового и теплового уровня мощности.

Так как структурным элементом растительной ткани является клетка, то нарушение барьерной функции мембраны лежит в основе электрического поврежде­ния клетки. Выявим вначале условия электрического пробоя клетки, а затем перейдем к исследованию вопросов, связанных с повреждением различных типов растительных тканей. На тканевом уровне пробой клетки электрическим током - это ее сквозной пробой, т.е. есть пробой мембраны в двух местах: в одном - при входе электрического то­ка внутрь клетки, в другом - при выходе (рис. 1.1б). Учитывая незначи­тельностьR₁ по сравнение сR₃ (рис. 1.1в: R₁, R₂, R₃ - активные сопротивления протоплазмы, межклетника, мембраны; С - емкость мембраны), сквозной пробой клетки (рис. 1.1б) можно осуществить, если внешнее элект­рическое поле создает между двумя точками на наружной поверхности мембраны разность потенциалов U_пк, по величине большую двукратного значения напряжения, вызывающего разрыв мембраны,

U_пк=2кU_пм,

где  2 - множитель, связанный с условием пробоя мембраны в двух местах;

U_пм - среднее значение напряжения, вызывающее разрыв мемб­раны;

к - коэффициент, учитывающий увеличение U_пк за счет падения напряжения на внутреннем содержимом клетки. Коэффициент к можно определить из схемы замещения (рис. 1.1в), к=1+(1+2πfCR₃)R₁/R₃.

Проведя расчеты при f=0, получим к=1+R₁/R₃и U_пк=2(1+R₁/R₃)U_пм=min. Подставив, к примеру, экспериментально определенные пара­метры клетки ткани стебля люцерны R₁=4,16 к0м, R₃=320 к0м, получим к=1,01.

Связав условие U_пк=2кU_пмс расстоянием между точками пробоя мембраны в двух местахl_к, получим выражение напряженности поля Е_пк=2кU_пм/l_к, при пре­вышении которой наступает сквозной пробоя клетки.

Как известно растительные клетки разно­образны по форме, строению и размерам. Клетки внутренних тканей вытянуты вдоль корня или стебля. Если принять защитный барьер клетки - мембрану в продольном направлении однородной, то в любой ее точке U_пм=const. Коэффициент к при f<10⁴Гц не­значительно влияет на численное значение Е_пк. Следовательно, Е_пк в основном зависит от l_к, и между наиболее удаленными друг от друга точками мембраны Е_пк=min. Таким образом, напряженность электрического поля, при превышении которой наступает сквозной пробой клетки, зависит от ее ориентации относительно силовых линий поля и вдоль вытя­нутой клетки Е_пк ниже, чем поперек.