Электричество в организме человека: 5 минут об электричестве в человеке

Содержание

5 минут об электричестве в человеке

Всем привет, я Маша Осетрова, и сегодня я немного расскажу вам про электричество в теле человека.

Сюжет о Викторе Франкенштейне, создавшем монстра из неживой материи, идейно восходит к проведенным в XVIII веке опытам Луиджи Гальвани, который заставил мышцы лягушки сокращаться под действием электрического тока. Его эксперименты вдохновили многих исследователей на изучение функций электричества в теле живых существ. На сегодняшний день ученые сильно продвинулись в этой области: придумали обезболивающие, выяснили, что заставляет наше сердце биться, что происходит в голове у влюбленных и многое другое.

Между электричеством нашего организм, и электричеством, которое обеспечивает наши дома, есть два фундаментальных различия. Электричество из розетки представляет собой поток электронов. В отличие от этого практически все токи в живых существах являются потоками ионов — атомов, имеющих электрический заряд. Токи в нашем организме связаны с пятью типами частиц: четырьмя положительными ионами — натрия, калия, кальция и водорода — и одним отрицательным хлорид-аниона.

Второе важное различие связано с направлением движения частиц. Ток в электрической цепи течет вдоль проводника, в то время как распространению электрического импульса по нейрону способствует движение ионов в перпендикулярном направлении.

В книге «Искра жизни» Фрэнсис Эшкрофт собрала воедино имеющиеся на сегодняшний день знания об электрических токах в организме человека и процессах на клеточном и молекулярном уровне, управляющих передачей электрических импульсов.

В состоянии покоя на мембране всех клеток существует разность потенциалов в 70 мВ, которую также называют потенциалом покоя. Изменение этого потенциала возможно при проходе заряженных частиц через мембрану внутрь и наружу клетки через специальные шлюзы — ионные каналы.

Для управления ионными каналами соседей нервные клетки выпускают в синаптическую щель — место контакта нейронов — специальные вещества, нейромедиаторы. Они специфично взаимодействуют с ионными каналами в мембране целевой клетки, подходя к определенному типу каналов как ключ к замку. В результате взаимодействия канал открывается, пропуская через себя ионы внутрь или наружу клетки. Направление движения частиц при этом зависит от концентрации ионов и распределения зарядов.

В состоянии покоя потенциал-зависимые натриевые и калиевые каналы клеток нервной и мышечной ткани находятся в закрытом состоянии под действием потенциала покоя. Они открываются только тогда, когда потенциал смещается в положительную сторону: когда это происходит, генерируется нервный импульс.

Хотя потенциально нервные волокна могут проводить импульсы в любую сторону, обычно они передают их только в одном направлении. Двигательные нервы передают сигнал от головного и спинного мозга к мышцам для управления их сокращением, а чувствительные нервы передают информацию в обратном направлении — от органов чувств к головному мозгу.

Поддержание клеток в поляризованном состоянии жизненно важно для организма и крайне энергозатратно. Один лишь мозг использует около 10% вдыхаемого кислорода для поддержания работы натриевого насоса и подзарядки аккумуляторов нервных клеток.

Наибольшее значение для генерации нервного импульса имеют калиевые и натриевые каналы. Это подчеркивает тот факт, что яды пауков, моллюсков, актиний, лягушек, змей, скорпионов и множества других экзотических существ воздействуют именно на них и, таким образом, нарушают функционирование нервов и мышц. Многие токсины крайне специфичны и нацелены на какой-нибудь один вид ионных каналов.

Разные яды имеют разный механизм действия: некоторые из них закупоривают ионные поры, а некоторые выступают в роли «распора», фиксируя канал в открытом состоянии. Это приводит к тому, что результатом проникновения в организм одних токсинов является паралич, а других — чрезмерное возбуждение, вызывающее судороги.

К примеру, яд тетродотоксин, содержащийся во внутренностях иглобрюха, которого японцы называют «рыба фугу», обладает специфичностью к натриевым каналам. Прочно закупоривая ионные поры, он препятствует нормальной передаче нервных импульсов, вызывая паралич и зачастую приводя к летальному исходу. Тем не менее, гурманы со всего мира регулярно рискуют жизнью, чтобы отведать фугу: при правильном приготовлении она перестает быть ядовитой, и лишь слегка покалывает небо.

Еще один токсин, ради эффекта которого люди готовы рискнуть — ботокс, используемый в косметических целях для разглаживания морщин. Ботокс, он же ботулотоксин — яд бактерий вида Clostridium botulinum, — один из самых сильных известных природных ядов. Он препятствует сокращению мышц и постепенно приводит к смерти от удушья. В количестве, умещающемся на кончике иглы, он смертелен для взрослого человека, однако инъекции ботокса под кожу в ничтожных концентрациях способствуют избавлению от мимических морщин.

На этом все, читайте умные книги, не суйте пальцы в розетку и читайте портал «Чердак»! А в следующем выпуске я расскажу вам о том, как мы делаем ЭТО.

 Анастасия Тмур

Электричество внутри нас — Энергетика и промышленность России — № 13-14 (321-322) июль 2017 года — WWW.

EPRUSSIA.RU

Газета «Энергетика и промышленность России» | № 13-14 (321-322) июль 2017 года

Современные методики предлагают использовать электричество в борьбе со многими заболеваниями и даже восстанавливать двигательные функции, потерянные в результате утраты конечностей.

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.

Электричество полезно для здоровья — Новости — Forbes Kazakhstan

 

Из атмосферы организм человека получает кислород, углекислый газ, водяные пары и… электричество. О том, что электрический заряд имеет большое значение для нормального течения важнейших процессов организма, многие даже не догадываются. Тем не менее, наши лёгкие в течение суток поглощают изрядное количество электричества, по информации Нашей планеты.

Откуда берётся это электричество? В конце 19-го века учёные узнали, что под действием радиоактивных элементов, которые в малых количествах находятся в любой почве, под действием ультрафиолетовых и космических лучей, при электрических разрядах грозы, разбрызгивании воды, трении частиц пыли появляются положительно и отрицательно заряженные молекулы – аэроионы. Большое количество аэроионов образуется в почве и около неё. За одну секунду в каждом кубическом сантиметре припочвенного воздуха создаётся примерно 8-10 пар ионов.

При этом они не накапливаются, так как противоположно заряженные молекулы при столкновении уничтожаются. 

Ионы образуются парами, но в воздухе, который окружает нас, обычно преобладают ионы какого-то одного заряда. Чаще всего это положительные ионы, так как земля имеет отрицательный заряд и притягивает именно их. Отрицательные ионы поднимаются в верхние слои атмосферы. Нужны ли нашему организму эти заряженные молекулы газа? Да, очень нужны, причём обеих полярностей. Русский учёный Александр Леонидович Чижевский ещё в 30-е годы прошлого века проводил опыты с белыми мышами. Сначала он их помещал в атмосферу, где ионов было очень мало – животные начинали тяжело болеть. 

Затем он заставлял их дышать воздухом без электрического заряда – мыши погибали через пять суток. Для организма вредна как малая, так и очень высокая концентрация аэроионов. Иногда горный ветер приносит с собой большое количество положительных ионов и вызывает у людей подавленное настроение, головную боль, повышает кровяное давление, усугубляет течение некоторых болезней. Смена заряда атмосферы тоже переносится людьми очень тяжело. А вот отрицательные аэроионы чаще всего оказывают положительное воздействие, улучшая состояние туберкулёзных больных, снижая кровяное давление, способствуя выздоровлению при различных заболеваниях. С большим количеством отрицательных ионов связывают лечебный эффект многих курортов. Удивительную лёгкость и свежесть ощущаем мы в хвойном лесу и соляной пещере, вблизи мощных фонтанов, на побережье моря, в горах, особенно возле горных рек и водопадов. 

Аэроионов в этих местах в десятки и сотни раз больше, чем в городах. Ткани нашего организма хорошо проводят электрический ток, поэтому полученные электрические заряды не скапливаются в теле, а постепенно уходят в землю. Как же воздействует электричество на человека? На этот счёт есть много версий, но внимания заслуживают две. Первая версия утверждает, что электрический заряд передаётся в кровь, а она переносит его к отдельным органам. Согласно второй версии, аэроионы оказывают сильное воздействие на нервные окончания лёгочной ткани и тем самым на нервную систему в целом. Какая теория верна на самом деле, трудно сказать. В любом случае почаще бывайте в горах, лесу и на морском побережье. А если нет такой возможности, гуляйте на здоровье возле фонтанов! 

1. Влияние электричества на организм человека | 3. Электробезопасность | Часть1

1. Влияние электричества на организм человека

Влияние электричества на организм человека

В этом разделе мы попытаемся исправить очень часто встречающуюся в учебниках по электронике ошибку, связанную с игнорированием или недостаточно детальным раскрытием темы электробезопасности. Если вы читаете эту статью, значит вы занимаетесь или собираетесь заняться практической работой с электричеством, и тема безопасности имеет для вас первостепенное значение. Те авторы, редакторы и издатели, которые по каким-то причинам не включают эту тему в свои труды, лишают читателя жизненно важной информации.

Большинство из нас испытали на себе некоторые формы поражения электрическим током, приведшие к болевым ощущениям или травмам. В основном такой опыт ограничивается покалываниями или болевым ударом вследствие разряда статического электричества. При работе с электрическими схемами, которые выдают большую мощность на нагрузках, боль является наименее значимым результатом поражения электрическим током.

Прохождение электрического тока через материал, обладающий каким-либо сопротивлением, приводит к рассеиванию энергии в виде тепла. Это самая основная форма воздействия электричества на живую ткань: под воздействием тока она нагревается. Если будет выделено большое количество тепла, то ткань может быть просто сожжена. По сути дела, эффект поражения электрическим током аналогичен эффекту воздействия открытого пламени или других источников высоких температур, но помимо этого, электричество может сжечь ткани под кожей человека, и даже его внутренние органы.

Еще более опасным является воздействие электрического тока на нервную систему человека. «Нервная система» — это сеть специальных клеток организма, называемых «нервными клетками» или «нейронами», которые обрабатывают и проводят огромное количество сигналов, управляющих всеми функциями организма. Головной мозг, спинной мозг и сенсорно-моторные органы функционируют в организме как единое целое, позволяя ему чувствовать, двигаться, реагировать, мыслить и помнить.

Нервные клетки взаимодействуют друг с другом по принципу «преобразования»: они создают электрические сигналы (очень малых напряжений и токов) в ответ на ввод определенных химических соединений, называемых нейромедиаторами, и высвобождают эти нейромедиаторы при стимуляции электрическими сигналами. Если через человека пройдет электрический ток достаточной величины, то под его воздействием крошечные электрические импульсы, порожденные нейронами, будут многократно превышены, что приведет к перегрузке нервной системы и блокированию рефлексов и сигналов управления мышцами. Последние при этом непроизвольно сократятся, и человек ничего с этим не сможет сделать.

Особенно опасная ситуация может возникнуть, ели человек коснется провода, находящегося под напряжением, рукой. Мышцы предплечья, которые отвечают за сжатие пальцев, развиты намного лучше, чем мышцы, ответственные за разжатие пальцев, поэтому, при воздействии электрического тока на обе группы мышц, сжимающие мышцы победят и сожмут пальцы в кулак. Ели провод при этом будет находиться со стороны ладони, то пальцы его обхватят, усугубив сложившуюся ситуацию. Самостоятельно отпустить провод человек уже не сможет.

С медицинской точки зрения, непроизвольное сокращение мышц называется оцепенением. Вывести пораженного электрическим током человека из состояния оцепенения можно только одним способом: прекратить прохождение тока через него.

Даже после прекращения воздействия электрического тока, человек еще некоторое время не сможет восстановить контроль над своими мышцами, пока не нормализуется баланс нейромедиаторов. На этом принципе построены такие устройства, как «электрошокеры», которые с помощью высоковольтного импульса на некоторое время (до нескольких минут) могут вывести человека из строя.

Электрический ток может повлиять не только на мышцы скелета, но так же и на мышцы диафрагмы и сердца. Чтобы нарушить работу сердца и вызвать аритмию достаточно тока небольшой величины. В этом случае нормальное сердцебиение сменится «трепетанием», которое не сможет обеспечить эффективную перекачку крови к жизненно важным органам организма. Если ток через организм будет достаточно сильным, то наступит смерть от удушья или от остановки сердца. Как это ни покажется странным, но для восстановления сердцебиения медики так же используют мощный разряд электрического тока, приложенный к груди человека.

И последнее, что мы с вами рассмотрим в этой статье — это опасности свойственные электрическим сетям общего пользования. Несмотря на то, что первоначальные исследования электрических цепей нами будут сосредоточены исключительно на постоянном токе (DC), большинство современных бытовых приборов используют для питания переменный ток (AC). Технические причины предпочтения переменного тока постоянному в системах питания не входят в рамки обсуждения этой статьи, но характерные опасности каждого вида электрической энергии очень важны а плане безопасности. 

Характер воздействия переменного тока на организм человека в значительной степени зависит от его частоты. В России, США и Европейских странах используется переменный ток низкой частоты (50 — 60 Гц). Такой ток более опасен чем переменный ток высокой частоты, и в 3-5 раз опаснее чем постоянный ток равнозначного напряжения. Воздействие переменного тока низкой частоты приводит к продолжительному сокращению мышц, которое не позволит убрать руку сжавшую провод от этого провода. Воздействие постоянного тока вызовет единичное конвульсивное сокращение мышц, после чего пораженный сможет отойти от источника тока. 

Переменный ток с большей вероятностью может вызвать аритмию сердца, тога как постоянный ток может остановить его. После того, как воздействие тока на организм прекращается, то у остановленного сердца имеется больше шансов восстановить нормальное сердцебиение, чем у сердца с аритмией (трепещущего). Поэтому дефибрилляторы, применяемые медиками скорой помощи, используют разряд постоянного тока, который останавливает аритмию и дает сердцу шанс на восстановление.

Теперь мы с вами знаем, что электрические токи опасны и взаимодействия с ними нужно избегать. В последующих статьях этого раздела мы рассмотрим какие токи входят и выходят из организма человека, и изучим меры предосторожности при работе с электричеством.

Краткий обзор:

  • Электрический ток способен вызвать глубокие и сильные ожоги в организме человека вследствие рассеивания мощности через электрическое сопротивление тела. 

  • Оцепенение — это ситуация, при которой мышцы человека непреднамеренно сокращаются вследствие прохождения внешнего электрического тока через его тело.

  • Мышцы диафрагмы (легких) и сердца так же подвержены неблагоприятному воздействию электрического тока. Чтобы нарушить работу сердца и вызвать аритмию достаточно тока небольшой величины.

  •  Переменный ток с большей вероятностью может вызвать аритмию сердца, тога как постоянный ток может остановить его.

Человек – это электрическая система.

Киборги — они заполонили всю планету…

1. Человек – это электрическая система. Существуют определённые законы, которым подчиняется движение электрического тока внутри человеческого организма. Организм человека и животного — это электрические системы, где существует генератор электричества, проводники (периферическая нервная система), объекты частичного поглощения биотоков (внутренние органы) и объекты полного поглощения биотоков (акупунктурные точки).
        В теле животного есть свои «электростанции» (головной мозг, сердце, сетчатка глаза, внутреннее ухо, вкусовые рецепторы и т. д.), «линии электропередач» (нервные ветви различной толщины), «потребители» биотоков (мозг, сердце, легкие, печень, почки, желудочно-кишечный тракт, железы внутренней секреции, мышцы и т. д.) и поглотители балластного электричества (в виде биологически активных точек, расположенных под кожей).

        Если рассматривать человеческий организм с «технических» позиций, то человек является автономной саморегулирующейся электрической системой.
Физика называет три главных составных части электрической цепи: производитель электрического тока (генератор), система электропередачи (проводники тока) и потребитель (поглотитель) электричества.  Например, электростанция вырабатывает электрический ток, линия электропередач (ЛЭП) передает электричество на большие расстояния потребителю (заводу, фабрике, жилым домам и т.д.).  Из физики электричества известно, что электрический ток в цепи будет проходить только в том случае, если на одном конце проводника образовался избыток электронов, а на другом конце их недостаток. Электроток движется от плюсового электрического заряда к минусовому. Условия для движения электротока не возникнут до тех пор, пока в электрической цепи не появится разность потенциалов.

Генератор электричества создает избыток электронов в одном месте, а потребители электричества играют роль непрерывных поглотителей электронов. Если бы потребители электричества не поглощали электроны, а постепенно их накапливали, то с течением времени их потенциал сравнялся бы с электрическим потенциалом генератора, и тогда движение электричества в цепи прекратилось бы. Поэтому первый закон электрофизики можно сформулировать следующим образом: для движения электрических токов в цепи обязательно необходимо присутствие трёх составных частей
— в виде генератора (электрического плюса), который вырабатывает электроны,
— проводника тока, который передает электроны с одного места в другое,
— и потребителя электричества (электрического минуса), который поглощает электроны.

Хорошо известно, что благодаря биотоку, движущемуся по нервным тканям, происходит перистальтика кишечника, сокращение мышечной ткани сердца, работа мышечно-суставного аппарата (благодаря которой человек ходит, совершает трудовую деятельность). Мышление и проявление эмоций осуществляется также вследствие движения биотоков по нервным клеткам коры головного мозга. Поступление биотоков по нервным стволам к речевому аппарату делает возможным общение людей друг с другом. Биоимпульсы, исходящие из головного мозга, регулируют синтез белков в печени, гормонов в железах внутренней секреции, влияют на выделительную функцию почек, устанавливают периодичность дыхательных движений. Человека в целом надо воспринимать как сложную электротехническую (кибернетическую) систему, которая способна к умственной и физической деятельности и размножению. Конечно, «электротехническое» строение живого организма значительно сложнее, чем банальная электрическая цепь. Но общие принципы их деятельности одинаковы.

2.  О генераторах электричества человеческого организма. Животные организмы имеют два вида генераторов электричества: внутренние и наружные. К внутренним относятся мозг и сердце, к наружным пять органов чувств (зрения, слуха, вкуса, обоняния и осязания).
          В головном мозге биотоки вырабатываются в том месте, где располагается ретикуло-эндотелиальная формация. От головного мозга биотоки поступают в спинной мозг, а оттуда по нервным сплетениям направляются ко всем органам и тканям. Далее очень мелкие нервы проникают во все органы грудной и брюшной полости, в кости, мышцы, сосуды, связки туловища и конечностей. Нервные ткани являются специфическими проводниками биотоков. В виде тончайшей сеточки они пронизывают все органы и ткани организма. В конце своего пути биотоки покидают нервные окончания и переходят в межклеточное пространство неспецифических проводников электричества внутренних органов, мышц, сосудов, кожи и т. д. Все ткани человеческого тела состоят на 95 % из воды с растворенными в ней солями. Поэтому живые ткани являются прекрасными проводниками электричества.

В сердце биотоки генерируются в синатриальном узле. От него концентрированный поток электронов проходит по пучку Гисса, нервные ветви которого заканчиваются клетками Пуркинье, диффузно расположенными в миокарде. Клетки Пуркинье передают биоимпульсы к мышечным клеткам сердца. Под действием биоимпульсов происходит сжатие сердечной мышцы. Далее сердечные биотоки покидают пределы сосредоточения и «растекаются» по всему телу. Благодаря этому электрокардиограф фиксирует наличие биотоков на контактных металлических пластинках, которые соприкасаются с кожей грудной клетки, ног и рук.

Внутри глаза также имеется специфический генератор биотоков в виде сетчатки. Когда свет попадает на сетчатку глаза, возникает поток электронов, который дальше распространяется по зрительному нерву и передается в кору головного мозга.  Благодаря выработке биотоков сетчаткой глаза, человек получает возможность видеть окружающий мир. Зрение дает более 80 % информации для человека.

Внутреннее ухо является генератором электроимпульсов, которые возникают при воздействии звуковых волн.  Чувствительные слуховые клетки кортиева органа расположены на основной мембране внутреннего уха (улитка) и приходят в возбуждение при колебаниях основной мембраны. Из улитки биотоки проходят по слуховому нерву в продолговатый мозг, а дальше в кору головного мозга.

Кожные рецепторы воспринимают прикосновение, давление, болевое раздражение, холодовое и тепловое воздействие. При гистологическом исследовании в коже обнаружено большое количество нервных окончаний в виде кисточек, корзинок, розеток, окруженных капсулой. Тактильную чувствительность воспринимают клетки Меркеля, Фатера-Пачини и тельца Мейснера. Свободные окончания осевых цилиндров в виде заострений и пуговчатых утолщений воспринимают болевую чувствительность. Колбы Краузе, тельца Мейснера и Руффини воспринимают чувство холода и тепла.  На 1 квадратном сантиметре кожи находится 200 болевых рецепторов, 20 тактильных, 12 холодовых и 2 тепловых. Воздействие давления, тепла, холода, укола и других видов травмы на эти кожные рецепторы приводит к возникновению биоимпульсов, которые по мелким и крупным нервным стволам передаются в спинной мозг, далее в продолговатый мозг и кору полушарий. Кожные рецепторы относятся к самым мелким генераторам электричества в организме человека.

Обонятельные нервы берут свое начало на так называемых митральных клетках обонятельной луковицы. Воздействие пахучих веществ на эти клетки приводит к возникновению биоимпульсов. Нервные обонятельные клетки заканчиваются в грушевидной извилине коры головного мозга.
Вкусовые рецепторы расположены на языке и представлены микроскопическими «вкусовыми почками», которые объединяются во вкусовые сосочки. При воздействии химических веществ вкусовые сосочки языка вырабатывают биоимпульс, т.е. вкусовые сосочки играют роль генераторов электрического тока. Вкусовые нервы относятся к волокнам лицевого, языкоглоточного и блуждающего нервов. По ним биоимпульсы проходят к таламусу и заканчиваются в опекулярной области коры головного мозга. В этой области возникают электропотенциалы после раздражения вкусовых рецепторов химическими веществами.
Если все электричество, которое вырабатывается соответствующими тканями на протяжении суток принять за 100 %, то 50 % этого количества вырабатывает сердце, 40 % — мозг,  и только 10 % органы чувств (сетчатая оболочка глаза 7 %, внутреннее ухо – 2 %,  и 1 % тактильные, обонятельные и вкусовые рецепторы). Конечно, если человек перенёс сильную травму, то тогда болевые рецепторы (тактильные органы чувств) могут выработать до 90 % всего количества биоимпульсов, выработанных человеком за сутки.

          Из сказанного можно сформулировать второй закон биоэлектрофизики: в организме человека имеется 7 биологических генераторов биотоков. Физиологические исследования нервных тканей давно установили факт существования двух различных по функциональной деятельности нервных клеток: эфферентных и афферентных. В эфферентной электрической цепи биотоки распространяются от центра (мозга) к периферии (кожным покровам), проходя через все внутренние органы и ткани. В афферентных путях биотоки распространяются от внешних генераторов электричества (органов чувств) к центральной нервной системе (сначала к спинному, а потом к головному мозгу). Это положение относится ко второму закону биоэлектрофизики.
              3. Траектория движения балластного (отработанного) электричества от сердца и мозга. Теперь обратим внимание на явление, которое фактически никогда  не исследовалось физиологией нервной ткани. Биотоки генерируются в живом организме с целью передачи информации, закодированной в синусоидальном электрическом биопотенциале. Они проводят биотоки по эфферентным нервным клеткам, от центральной нервной системы к внутренним органам и тканям (и, в конце концов, электричество поступает к кожным покровам). Это может быть информация-команда об усилении перистальтики кишечника, о рвотной реакции, об увеличении выделения желудочного сока, об уменьшении выделения гормональных веществ, о сокращении определенной группы мышц и так далее. Все внутренние органы и ткани «прочитывают» информацию, заложенную в биоимпульсе, соответствующим образом реагируют, а потом этот поток биотоков становится ненужным организму, и подлежит ликвидации. Клетки воспринимают информацию биоимпульса, и после этого в его существовании не нуждаются. Далее по межклеточному пространству биотоки поступают на кожу.

Интересны последние исследования автора книги. Им установлено, что в головном мозгу происходит медленное накопление «балластных электронов» в связи с активной умственной деятельностью. Это вызывает «мыслительную усталость» человека, заторможенность мышления и действий, плохую память. В мозгу к концу дня (перед сном) «застревает» внутри нервных тканей около 15 % статического, отработанного  электричества. Вредное статическое электричество покидает клетки мозга (почему-то) только ночью, во время сна. К акупунктурным точкам головы во время сна устремляются потоки «застрявших» днём статических электронов в клетках головного мозга. Организм человека требует сна потому, что мозг должен «разрядить» накопившийся в нем электрический заряд, который  (почему-то) покидает клетки головного мозга и уничтожается акупунктурными точками только во время сна. Это факт указывает на  несовершенство клеток мозга, так как эти клетки за миллиарды лет своей эволюции не выработали для себя электрического или биохимического механизма для полного, 100 % — ого удаления из своего тела отработанных, «статических» электронов в дневное время суток, во время бодрствования человека. Если бы такой механизм существовал, то сон для людей был бы не нужен.

        Сердце, как и мозг, также является сильнейшей электростанцией нашего организма, однако из нервных и мышечных клеток сердца во время сна не выбрасывается поток «застрявших ранее» электронов. Это точно установлено, благодаря экспериментам по измерению потенциалов, исходящих от сердца ночью.  Следовательно, нервные и мышечные клетки сердечной мышцы не накапливают внутри себя балластное электричество, а все биотоки выводятся за свои пределы в межклеточное пространство во время дневной деятельности. Тогда можно утверждать, что мозг днём работает, а ночью отдыхает (выбрасывает вредные биотоки из своих клеток), а сердце – работает и днём и ночью! И ещё можно сделать один вывод о том, что нервные клетки сердца у человека более совершенны, чем нервные клетки мозга. Следовательно сердце (как орган) у всех животных более раннее и более совершенное образование, чем мозг.

                  4. Траектория движения балластного (отработанного) электричества от пяти органов чувств (зрения, слуха, вкуса, обоняния и осязания). Как уже упоминалось, существуют еще и наружные генераторы тока в виде пяти органов чувств. Они проводят биотоки по афферентным нервным клеткам от поверхности тела к центральной нервной системе. Какова судьба этих биотоков?  Возможно, они полностью поглощаются в коре головного мозга без образования «шлаковых» биотоков? Нейрофизиологами проведено большое количество опытов по исследованию электроэнцефалограмм (ЭЭГ) при воздействии вспышки яркого света (исследовались биотоки от глаза), сильного звука (исследовались биотоки от внутреннего уха), пахучих веществ (исследовались биотоки от обонятельных клеток), химических веществ на слизистую языка (исследовались биотоки от вкусовых рецепторов) и болевого симптома (исследовались биотоки от осязательных рецепторов). Во всех случаях энцефалограф отмечал множественные изменения биотоков, исходящих от мозга к коже головы. Надо обратить внимание, что энцефалограф воспринимает электрические импульсы не от глубинных участков мозга, а от кожных покровов головы! Следовательно, эти опыты доказывают, что биоимпульсы от органов чувств по афферентным нервам поступают в головной мозг, передают информацию коре головного мозга, а дальше в виде балластного электричества токи проникают на поверхность кожи через кости черепа и мягкие ткани головы.

                5. Токи стремятся к «кожной» периферии тела. Итак, все органы и ткани поглощают только 5 % пришедших к ним биотоков, а 95 % электрического потенциала становится «ненужным балластом» и он со скоростью 200 метров в секунду перетекает на кожу. Почему все биотоки (полностью, на 100 %) не поглощаются органом, которому они предназначены? Почему генераторы биотоков вырабатывают избыточное количество электроэнергии, а не ровно столько, сколько требуется для передачи какой-то информации органу? Неужели природа создала затратный механизм электроснабжения живых организмов? На все эти вопросы автор дает ответы в следующих параграфах.
Итак, можно констатировать факт существования большого количества «балластного» электричества внутри и на поверхности человеческого тела. Постоянное поступление «отработанных» биотоков на поверхность живого организма является третьим законом биоэлектрофизики.
Что заставляет все биотоки организма заканчивать свое движение на кожных покровах тела? Ответ на этот вопрос дает следующий физический эксперимент.

6. Физический эксперимент. Теперь обратим внимание на эксперимент, который проводится на уроках физики с учениками средней школы. Для опыта берется полый металлический шар с толстой стенкой (около сантиметра), который имеет небольшое круглое отверстие «в днище».
(Смотрите рисунок 1).
При помощи эбонитовой палочки заряжаем статическим электричеством металлический шар изнутри, прикасаясь к точкам Д, Е и К. Сразу после подзарядки при помощи прибора измеряем электрический потенциал в этих точках. К большому изумлению учащихся, прибор показывает отсутствие электрического потенциала на внутренней поверхности шара (в точках Д, Е и К). Как бы сильно мы ни заряжали внутреннюю поверхность шара, она всегда оказывается электрически нейтральной. В то же время прибор фиксирует наличие высокого электрического потенциала на наружной поверхности шара, в том числе и в точках А, В, С, несмотря на то, что с наружной поверхности железный шар не насыщался статическими электронами. На основании этого опыта можно сделать очень важный вывод: при насыщении электрическими зарядами внутренней «зоны» какого-то тела весь потенциал будет быстро перетекать на наружную поверхность тела. Интересно отметить, что любые попытки направить хотя бы часть электрического потенциала с наружной поверхности шара (от точек А, В, С) на внутреннюю поверхность (к точкам Д, Е, К) не осуществимы.

Рисунок 1. Полый металлический шар.

                  Подчиняясь этому электрофизическому закону, балластное электричество человеческого тела неудержимо стремится от внутренних органов на периферию тела – к кожным покровам! Далее эндогенное электричество «растечется» по всей поверхности кожных покровов, покроет «одинаковым количеством электронов» каждый квадратный сантиметр кожи. Если из металла отлить фигурку человека с отведенными в сторону руками и ногами, то стремление электрических зарядов занять самые наружные поверхности выразится следующим образом. Более 80 % электрических зарядов располагаются на стопах ног, кистях рук и волосистой части головы. Лишь 20 % зарядов останутся на туловище (спине, животе), плечах и бедрах. Можно предположить, что из-за более низкой электропроводимости живых тканей (по сравнению с металлом) поведение эндогенного электричества в чем-то будет отличаться, но эти отличия не будут выражены очень резко.
            Из сказанного можно сформулировать четвертый закон биоэлектрофизики: свободные электрические заряды всегда стремятся быстро покинуть внутренние «районы» металлического проводника (внутренние органы и ткани человеческого тела), и стремятся расположиться на поверхности металлического проводника (на поверхности проводящего электричество металлического провода, на коже). Электрики хорошо знают, что электрический ток распространяется по самой наружной оболочки железного помещения, и никогда не будет поражен электричеством человек, который находится внутри железного помещения. На протяжении жизни (животного или человека) происходит непрерывное поступление «отработанных» биотоков из внутренней среды организма к его наружной (периферической) поверхности. Если бы кожные покровы не осуществляли процесс утилизации электрического тока, то каждый человек стал бы носителем сильного заряда статического электричества. Однако накопление электрического заряда на поверхности тела не происходит. Кстати, существуют животные, которые накапливают эндогенное  электричество на своей поверхности и при нападении на другое животное (или человека) поражают его смертельным ударом электрического тока. Это морские рыбы: электрический скат, электрический угорь и другие.

6. Где в организме электрический «плюс», а где «минус»? Великий физиолог И.П. Павлов утверждал, что в том месте, где возникает электричество (в ЦНС), там оно и поглощается. То есть, он полагал, что в ЦНС, как и в электрической батарее, существуют ткани вырабатывающие электричество (генератор, плюсовой потенциал) и ткани, поглощающие электричество (минусовой потенциал). Движение биотоков осуществляется по кругу: от генератора электричества, «от плюса» — к эфферентным нервным волокнам, после чего перетекают к органу.

Все биотоки в  этой схеме не выходят за пределы нервных тканей, не покидают нервных клеток, «вооруженных» надежной электроизоляцией в виде жировой шванновской оболочки. Правда, тогда становится не понятна судьба электричества, выработанного в сердце. Ведь сердечные биотоки никак не могут попасть в ЦНС для своей «ликвидации».

            К большому сожалению, «павловская рефлекторная дуга» является несостоятельной. Павловской рефлекторной дугой (точнее – Павловским кольцом) можно объяснить движение биотоков, вырабатываемых в ЦНС, но невозможно объяснить движение биотоков от сердца и пяти органов чувств.

Она не дает объяснения на вопрос: почему все биотоки можно регистрировать на поверхности кожи?

Ведь по Павловской теории биотоки не должны покидать нервные волокна, имеющие прекрасные жировые изоляторы вокруг своего электропроводящего волокна. Но почему тогда электрические приборы определяют наличие электрических потенциалов на поверхности кожи, исходящих от сердца (электрокардиограмма, ЭКГ) и от мозга (электроэнцефалограмма, ЭЭГ)?

          Реальная схема распространения биотоков в организме животного и человека имеет вид движения только в одну сторону: или от центра к периферии, или от периферии к центру. Павловская теория игнорирует тот физиологический факт, что эфферентные нервные клетки имеют свой генератор биотоков в ЦНС и в сердце, и свой конечный путь, прерывающийся в глубинах внутренних органов и тканях. Афферентные же нервные волокна имеют совершенно другие генераторы энергии на поверхности организма (кожа, глаз, язык, нос, ухо) в 5 органах чувств, а прерываются они в центральной нервной системе.
Отсюда видно, что замкнутого цикла движения биотоков в природе не существует, а теория рефлекторной дуги подлежит коррекции.
Современные взгляды в электрофизиологии опровергают Павловскую модель «электроснабжения» органов и тканей.
Pазница механизма поглощения электричества промышленными потребителями (заводами, фабриками, городами) и животными организмами состоит в следующем: технические потребители электричества выступают одновременно в ролях и потребителя, и поглотителя электричества. В живом организме эти две функции разделены. Внутренние органы человеческого организма являются потребителями биоимпульсов, а кожные покровы выступают в роли поглотителей электронов (балластных, статических биотоков).
Как показывают мои исследования, если по нерву подается импульс по направлению к какому-то органу с силой тока, который можно принять за 100 %, то орган поглощает не более 5 % электрической энергии, а около 95 % потенциала покидает орган и быстро перетекает на кожу.

    В электрической физике каждая батарейка имеет плюсовой потенциал с избытком электронов и минусовой потенциал, где электроны поглощаются. В человеческом организме избыток электронов создают биологические генераторы тока.

Локализация генераторов электричества внутри человеческого организма ученым хорошо известна. А вот места, где поглощаются биоимпульсы, установлены только сейчас. Оказывается, все электроны, которые генерирует организм в своем теле после передачи клеткам ценной информации, поступают на периферию организма по межклеточному пространству.
Вот для чего организму нужно содержать раствор поваренной соли (NaCl) в крови и межклеточном пространстве.
Вот почему пища без соли  «не вкусная».

В мозгу к концу дня (перед сном) застревает около 15 % статического электричества, выработанного ретикуло-эндотелиальной формацией на протяжение дня. По-видимому, во время труда в мозгу человека работают в автономном режиме сотни «программ»: память, внимание, интуиция, напряжение мышления, слуха, зрения, разрабатывается система определенной очередности целенаправленных действий. Работа всей «компьютерной сети мозга» требует энергетических затрат на протяжении всего периода бодрствования. Только после того, как человек заснул, оперативная работа «компьютерной сети мозга» отключается, и биотоки «гасятся». Во время сна необходимость работы «компьютерной сети мозга» отпадает и (теперь уже балластное, вредное, статическое) электричество покидает клетки мозга.

Человек имеет далеко не идеальную электротехническую систему, несмотря на 3 миллиарда лет ее непрерывной эволюции. Такую расточительность и несовершенство живых тканей можно объяснить (а точнее — оправдать) следующими причинами.
Во-первых, неадекватно высокий электрический потенциал вырабатывают электростанции организма с целью быстрого прохождения биотока от начального нервного волокна через десятки синаптических щелей и вторичных нервных волокон к иннервируемому органу.

Во-вторых, объяснение выработки чрезмерно большего электрического потенциала в организме человека и животного, состоит в том, что балластные электроны в акупунктурных точках при своем «уничтожении» дают организму тепло, то есть электрическая энергия не исчезает бесследно, а превращается в тепловую энергию. К такому заключению автор этой книги пришёл после экспериментального измерения температуры в точках акупунктуры.  Оказалось, что при температуре окружающей среды в 18° по Цельсию  кожные покровы человека имеют максимальную температуру 36,6° — 36,8° исключительно и непосредственно над точками акупунктуры, а кожные покровы вокруг точки имеют температуру ниже на 0,5 – 2 градуса.

Это доказывает факт участия точек акупунктуры в процессе образование тепла для организма. Ведь охлаждение тела всегда начинается с периферии, с кожных покровов. Природа «позаботилась» о том, чтобы генераторы тепла находились на самой периферии организма – в кожных покровах. Животные 100 миллионов лет назад (в том числе и динозавры) имели механизм интенсивного охлаждения тела через испарение воды с кожных покровов, но не имели механизма выработки (генерации) тепла. Тогда окружающая среда (воды океанов и воздух атмосферы) была чрезмерно нагрета до 50° – 70° С. Но уже 100 миллионов лет назад началось медленное охлаждение поверхности Земли. Теплокровные животные на Земле появились около 70 миллионов лет тому назад, когда началось быстрое охлаждение поверхности планеты. Внутри животных организмов появились сложные биохимические механизмы эндогенного (внутреннего) образования тепла.

Благодаря длительным эволюционным процессам начали вырабатывать тепло 1700 акупунктурных точек, расположенных равномерно по всей поверхности  кожи человека и животного.  Те животные, которые 70 миллионов лет назад смогли «обзавестись» собственными генераторами тепла – выжили и продолжают развиваться. Все остальные животные, в том числе и крупные динозавры, погибли от холода.

Из сказанного можно сформулировать пятый закон биоэлектрофизики: в животном организме произошло разделение процесса потребления биотоков органами от процесса их уничтожения на поверхности кожи. Избыток электрической энергии возникает внутри электрических генераторов (сердца, мозга, 5 органов чувств), потребляют биотоки все органы и ткани человека, а поглощение электронов осуществляется внутри акупунктурных точек на поверхности кожных покровов.

Кроме того, на основании вышесказанного можно сформулировать и шестой биоэлектрофизический закон: все биотоки, вырабатываемые в организме человека, концентрируются в кожных покровах, где ликвидируются (утилизируются, поглощаются) благодаря специфической деятельности биологически активных точек.
Поэтому было бы правильнее назвать точки акупунктуры аннигиляционными точками, или точками – электропоглотителями.
Интересно, что древние китайские медики совершенно правильно истолковывали функциональную деятельность акупунктурных точек, придавая им энергетическое значение. Однако дальнейшие объяснения древних китайских врачей не согласуются с современными научными понятиями и больше похожи на мистику. По их мнению, акупунктурные точки являются отверстиями в теле человека, через которые происходит обмен энергии с окружающей средой и с космосом. Через эти «окна в теле» и через вставленные в кожу иглы энергия «улетает» в космос, когда существует ее переизбыток в организме. Если организм ощущает недостаток энергии, то она может, благодаря лечению, пополняться, медленно «всасываясь» в тело из космического пространства. Только через окна в теле человека (то есть через акупунктурные точки) проникают в организм патогенные климатические факторы внешней среды (Ветер, Жара, Холод, Влага и Сухость), и исключительно по этой причине возникают болезни у человека, так как эти «патогены» нарушают энергетическую гармонию в организме.

ВЫВОД. Теперь сделаем общий вывод из сказанного. Человек является замкнутой электрической системой. Внутри него вырабатываются электрические токи различных частот в 7 биологических электростанциях: в сердце, в  мозге и в пяти органах чувств. Сначала биотоки по нервным клеткам несут информацию к специфическим для них клеткам человеческого тела, к органам и тканям. Организм человека поглощает только 5 % общей энергии. На заключительном этапе судьба 95 % электричества состоит в следующем. После передачи информации клеткам соответствующих органов, электричество устремляется по межклеточному пространству к кожным покровам, где аннигилируется акупунктурными точками. Все электричество, которое вырабатывается внутри человеческого организма (и организма животного) поглощается его же тканями. Ни один электрон, произведенный внутри живого организма, не покидает человеческое тело, и не переходит в окружающую среду, а поглощается  кожей. Этим и обусловлена замкнутость электрической системы человека. Организм сам поглощает все электричество, которое ранее он же и произвел, генерировал.

Отсюда http://molostovvd.narod.ru/books/acupru.htm

Человеческое тепло станет вечным источником энергии?

Yagi Studio Getty Images

Сможем ли мы в будущем подзаряжать бытовые приборы и гаджеты за счет бесплатной энергии, которую каждый день мы сами производим естественным образом, собственным теплом? Молодая инновативная швейцарская компания разработала технологию, преобразующую тепло человеческого тела в электрическую энергию. 

Этот контент был опубликован 06 мая 2021 года — 07:00
Луиджи Йорио

Журналист из Тичино, живущий в Берне, освещаю вопросы науки и общества в репортажах, статьях, интервью и аналитических материалах. Меня интересуют проблематика климата, энергетики и окружающей среды, а кроме того – все, что связано с миграцией, с помощью в целях развития и с правами человека.

Больше материалов этого / этой автора | Италоязычная редакция

Доступно на 9 других языках

Русскоязычную версию подготовила Лейла Бабаева.

Забудьте на мгновение о солнечной энергии, биомассе, энергии ветра и гидроэнергетике. А что если будущие возобновляемые источники энергии кроются… в самих людях? Все мы смотрели «Матрицу» и по меньшей мере с тех самых пор знаем, что тело человека генерирует тепло. Злобные машины использовали в фильме этот феномен для того, чтобы, превратив людей в батарейки и «прокачав» им головы воображаемой реальностью, получить бесплатный и вечный источник энергии. Но что если эта технология однажды будет на самом деле реализована не в антиутопии, а на практике? 

Внешний контент

Когда у нас поднимается температура или когда мы занимаемся спортом, мы ощущаем внутреннее тепло. Это свойство нашего организма отличает нас от рептилий и других холоднокровных животных, а еще оно стало источником бесчисленных литературных метафор, от «энергичного» характера до «горячего сердца», к которому должны, как известно, должны прилагаться холодная голова и чистые (в коронавирусном смысле) руки. В то же время не все знают о том, что тепло человеческого тела действительно можно напрямую преобразовывать в электричество. 

Внешний контент

Идея не нова, однако высокотехнологичные устройства, например, умные часы и фитнес-браслеты, способные приносить практическую пользу, и которые можно было бы выпустить на массовый рынок, были разработаны только в самые последние годы. Швейцарский стартап Mithras намерен закрепиться на этом пока нишевом рынке и предложить свои инновационные разработки. Созданная при поддержке Высшей технической школы Цюриха (ETH) в 2018 году, компания принадлежит к десяткам перспективных стартапов, возникающих сейчас в стране та стыке экономики, бизнеса и фундаментальной науки. 

«Я всегда хотел изобрести нечто, что имело бы большой потенциал развития и я интересовался сферой высоких технологий», — говорит Франко Мембрини (Franco Membrini), основатель и исполнительный директор компании Mithras. По образованию он историк, но его всегда привлекала перспектива изучения «энерго-теплового потенциала» человеческого организма поскольку он видел в этом «замечательную возможность внести вклад в создание сети децентрализованного производства электрической энергии», то есть сети, для которой не нужны столбы, провода, платины и огромные реакторы. 

Потенциал: 10% потребляемой в мире энергии

Тепловая энергия, которую в среднем  излучает человеческое тело за единицу времени, эквивалентна 100-ваттной электрической лампе накаливания. Большая часть этой энергии уходит без какой-либо пользы в окружающую среду, и вот как раз именно эти-то «отходы» молодая компания из города Кур что в кантоне Граубюнден и намерена использовать в качестве источника энергии с помощью термоэлектрического генератора (ТЭГ), который для выработки электроэнергии использует так называемый «эффект Зеебека». 

Речь идет о разнице температур между поверхностью кожи и окружающей средой, за счет которой и получается даровое электричество. «Эта разница очень важна, чем она больше, тем больше выработка энергии, независимо от того, находитесь ли вы в полярном регионе или в пустыне. Чтобы начать вырабатывать электроэнергию достаточно разницы в один градус Цельсия», — объясняет 29-летний Франко Мембрини. Использовать всю тепловую энергию человеческого тела со 100-процентной эффективностью невозможно. 

Внешний контент

Тем не менее, «использование ТЭГ представляют собой, с нашей точки зрения, довольно многообещающую стратегию с огромным потенциалом». По его расчетам, тепло, вырабатываемое более чем 7,7 миллиардами жителей Земли, может обеспечить до 10 % от всей энергии, потребляемой на планете. «Каждый день взрослый человек выделяет в среднем 3 кВт⋅ч энергии, этого объема хватило бы на работу современного жидкокристаллического телевизора в течение 30 часов».

Оптимизация забытой технологии

«Использовать человеческую энергию в качестве возобновляемого источника электричества ученые и инженеры пытаются уже с начала 20 века», — напомнил Франко Мембрини, приведя в пример радиопередатчики, получавшие энергию за счет ручной динамо-машинки и широко распространенные в 1940-е годы. Однако быстрый прогресс, достигнутый в области производства аккумуляторов, отодвинул такие энергосистемы на второй план, которые могли бы подпитываться людьми. Успехи, достигнутым в области материаловедения и в сфере производства переносных устройств, энергия, производимая телом человека, снова вызывает живейший интерес инженеров. 

«Эффект Зеебека»

Явление возникновения ЭДС (электродвижущей силы) на концах последовательно соединённых разнородных проводников, контакты между которыми находятся при различных температурах. Этот эффект иногда называют также «термоэлектрическим эффектом». 

Открыт в 1821 году немецким физиком Томасом Иоганном Зеебеком (Thomas Johann Seebeck; 1770–1831). Результаты своих опытов он в 1822 году опубликовал в «Докладах Прусской академии наук» в формате статьи под названием «К вопросу о магнитной поляризации некоторых металлов и руд, возникающей в условиях разности температур».

В 1980 году компания Bulova выпустила разработанные в г. Биль (кантон Берн) часы Thermatron, работающие за счет выделяемой телом энергии. Позднее их производство было прекращено из-за технических трудностей.

В 2009 году инженер ETH Цюриха Вульф Глатц (Wulf Glatz) получил премию ассоциации Swisselectric за разработку термоэлектрического генератора, использующего разницу температур между воздухом и источником тепла.

В 2013 году телекоммуникационная компания Vodafone и Саутгемптонский Университет представили спальный мешок, способный использовать тепло человеческого тела для заряда батареи мобильного телефона.

Термоэлектрические генераторы также используются в космосе. Они вырабатывали энергию для космических зондов «Вояджер» и «Галилео». Новейшее устройство установлено на марсоходе «Персеверанс», который недавно опустился на поверхность Марса.

End of insertion

«По сути мы взяли уже существующую технологию и просто оптимизировали ее для нужд нашей эпохи», — пояснил Франко Мембрини. В самом деле, «эффект Зеебека» известен ученым уже давно. Мы разговариваем с Рене Росси (René Rossi), директор «Лаборатории биомиметических мембран и тканей» швейцарской «Федеральной сертификационной Лаборатории материаловедения» (Empa). «До настоящего времени применение этого эффекта ограничивалось низкой энергоэффективностью предлагавшихся технических систем. 

Но сегодня мы уже в состоянии перейти от масштаба милливатт к нескольким десятым частям 1-го Ватта, а это уже представляет с точки зрения рыночного потенциала значительную потребительскую и коммерческую ценность». По его словам, в настоящее время исследования ведутся в нескольких направлениях. «Например, мы разрабатываем умный текстиль, использующий солнечную энергию. Другие исследовательские рабочие группы стараются найти способ преобразования механической энергии в электричество, например, при помощи интеграции в подошвы обуви особых генераторов».

Заряжая во сне

Что касается компании Mithras, то она работает сейчас над реализацией двух идей. Во-первых, она хочет разработать мини-ТЭГ в виде носимого на запястье браслета, который можно было бы использовать для зарядки мобильных устройств. Во-вторых, компания ищет способ найти инженерное решение, при котором термоэлектрический генератор встраивался бы непосредственно в устройство и подключался бы к его батарее. 

Единственным предварительным условием для производства электричества является прямой контакт устройства с телом. «Неважно, пьете ли вы кофе, занимаетесь ли спортом или спите, батарея будет заряжаться сама по себе», — говорит Франко Мембрини. В настоящее время на его фирме работают шесть человек, компания хочет сосредоточить все свои усилия в основном на разработке индивидуальных медицинских приборов, с учетом их, как правило, низкого энергопотребления. 

«Мы хотели бы, чтобы в будущем такие устройства, как инсулиновые помпы, слуховые протезы или биодатчики, отслеживающие температуру тела и иные жизненно важные функции, были бы полностью автономными, не зависящими от внешних источников энергии. Ведь а таком случае можно избежать проблем, связанных как с отказом батарей, так и с возможными осложнениями в результате хирургической операции по их замене».

Эту технологию можно было бы применять и для зарядки мобильных телефонов, хотя они в настоящее время и не входят в список приоритетов компании Mithras. «С точки зрения нашей технологии обычный смартфон потребляет все еще слишком много энергии. В лучшем случае мы могли бы научиться продлевать срок действия его батарей», — резюмирует Франко Мембрини.

Статья в этом материале

Ключевые слова:

Волшебный пояс, электрошок и другие эксперименты с лечением током

  • Дэвид Робсон
  • BBC Future

Автор фото, Jeff Behary electrotherapy Museum

В XIX веке считалось, что слабый электрический разряд способен избавить от многих болезней. В наши дни нейробиологи порой обращаются к старым методам лечения, чтобы понять, насколько они были эффективны. Обозреватель BBC Futureрешил разобраться: есть ли смысл надеяться на волшебную исцеляющую силу изобретений наших предков?

Вы устали? Вас преследуют мигрени? Или страдаете от тревожности? У Исаака Пульвермахера было решение для всех этих проблем: его знаменитый «гидроэлектрический пояс».

По форме пояс напоминал ковбойский патронташ с прикрепленными к нему небольшими батарейками и двумя застежками, которые служили электродами.

Их прикладывали к больному месту и наслаждались приятным щекочущим ощущением от прохождения по телу слабого электрического разряда.

Впервые пояс был показан широкой публике в 1851 году на Всемирной выставке в лондонском Хрустальном дворце и сразу стал главным предметом обсуждений в модных гостиных Лондона.

По имеющимся данным, ежегодно таким поясом пользовалось около 50 000 человек.

Даже Чарльз Диккенс заинтересовался этим чудо-устройством. В конце 1860-х, во время напряженного лекционного тура у него сильно заболела нога, и 3 июня 1870 года по совету актрисы Мари Бэнкрофт он заказал «волшебный пояс» Пульвермахера.

«Если он и воспользовался волшебным поясом, вряд ли он успел испытать от него какой-то эффект», — отмечает историк медицины Роберт К. Уэйтс.

Свое самое последнее письмо Диккенс написал компании Pulvermacher & Co, подтвердив получение этого прибора.

Сегодня ученые вновь начинают исследовать преимущества электротерапии как средства лечения целого ряда заболеваний, а отчаявшиеся пациенты даже пытаются сконструировать собственные «медицинские батарейки», удивительно похожие на пояс Пульвермахера.

«То, что люди считают прогрессом в сфере медицины, мы когда-то уже проходили, — говорит Джефф Бехари, занимавший должность куратора музея электротерапевтических приборов во Флориде (США). — Люди занимались этим еще 100 лет назад».

Так есть ли реальная польза от подобных устройств? И каковы риски?

Автор фото, Wikimedia Creative Commons

Подпись к фото,

Считалось, что электрические разряды способны лечить разнообразные физические и психические недуги

Несмотря на свою славу, Пульвермахер был далеко не первым человеком, задумавшимся о лечебном потенциале электричества.

Еще в 48 году до н. э. врач римского императора Клавдия Скрибониус Ларгус рекомендовал тому класть на голову электрического ската, чтобы избавиться от мигрени.

Вряд ли Ларгус осознавал, какие физические силы являются источником этих ощущений, однако к началу XVIII века ученые, в том числе Бенджамин Франклин, начали понимать и контролировать эту энергию.

Они очень активно стали исследовать влияние электричества на организм человека, а для хранения статического заряда использовали лейденские банки — емкости, оклеенные оловянной фольгой.

Например, Франклин пытался использовать разряды статического электричества для лечения спазмов у женщин, страдающих от истерии.

Однако подобные методы лечения были совсем не безопасны, и историк медицины Уэйтс не преминул отметить это в своей недавней работе, опубликованной в книге «Прогресс в исследовании мозга» (Progress in Brain Research).

В мае 1748 года в журнале «Философские труды Королевского общества» (Philosophical Transactions of the Royal Society) было напечатано письмо некоего Роберта Роше, чей 16-летний сын страдал от приступов, которые «приводили его в совершенно бесчувственное состояние».

Роше взялся за создание собственной «электризующей машины» и два раза в день намеренно подвергал своего сына ударам током в отчаянной попытке предотвратить судороги.

Но однажды сюртук его сына «заполыхал: языки пламени поднимались на 15 сантиметров над воротником».

К счастью, Роше удалось погасить огонь, и в письме он с радостью сообщал, что изменил конструкцию машины, чтобы в дальнейшем избежать подобных неприятностей.

В XIX веке эти технологии претерпели огромные изменения. Ученые обнаружили, что металлы, помещенные в кислый раствор, образуют источник электрического тока — так был изобретен первый аккумулятор.

Однако широкое распространение подобные устройства получили только с развитием общества потребления и приходом промышленной революции.

«Благодаря появлению массового производства их изготавливали быстро и с минимумом затрат, а затем продавали по всей стране через каталоги почтовой доставки», — говорит Анна Векслер из Массачусетского технологического университета.

В связи с этим начали появляться многочисленные методы электротерапии. «С их помощью люди пытались лечить практически все недуги, — добавляет Векслер. — И потребители, и врачи экспериментировали с различными способами лечения».

Автор фото, Science Photo Library

Подпись к фото,

Электротерапию часто представляли чуть ли не как панацею — что и высмеивается в этой английской карикатуре

Одним из самых успешных изобретений была та самая гидроэлектрическая цепь. Ее изобретатель Исаак Пульвермахер был прусским эмигрантом, успевшим пожить в Германии, Франции и Англии (к числу других его разработок можно отнести новый вид электрогенератора).

Благодаря грамотному маркетингу «волшебный пояс» принес ему намного больше прибыли: в Европе и США было продано несколько тысяч штук.

Пояс Пульвермахера даже упоминается в романе Гюстава Флобера «Мадам Бовари», где благодаря ему фармацевт месье Оме обладает невероятной сексуальной привлекательностью.

Его жену «ослепляла обвивавшая ее мужа золотая спираль; в такие минуты этот мужчина, облаченный в доспехи, точно скиф, весь сверкающий, точно маг, вызывал в ней особый прилив страсти».

Меняя количество батарей в поясе и расположение электродов на теле или голове, это устройство можно было использовать для лечения головной боли, ревматизма, расстройства желудка, учащенного сердцебиения, водянки, геморроя, переутомления и общих нервных симптомов.

Его рекламные буклеты гласили: «БЕСПРЕЦЕДЕНТНЫЙ успех в истории медицины! Пользуется огромной популярностью среди богатых и образованных людей, что очевидно говорит в его пользу!»

В то же время возможные побочные эффекты устройства обходились молчанием. Лишь упоминалось о возможном появлении язв вокруг электродов, и потенциальных клиентов предупреждали, что при высокой мощности ощущения от прохождения электрического тока «могут быть непереносимыми».

При этом производитель пояса делится многочисленными примерами его успешного применения.

«Вы не представляете, в каком жалком состоянии немощности и истощения я был, ведь я не мог переварить ни кусочка пищи», — написал один удовлетворенный покупатель, страдавший от столь сильного приступа диареи, что «остановить ее не помогали никакие медицинские советы».

Прошло всего два дня, и он снова смог есть, а через десять дней полностью излечился:

«Сейчас я чувствую себя отлично и приношу вам глубокую благодарность за то, что вы вернули меня к жизни».

Можно ли верить подобным историям — совсем другой вопрос. Известно, что агенты Пульвермахера часто искажали отзывы врачей.

Однако Анна Векслер отмечает, что многие другие производители были более сдержанны в своих заявлениях, и вполне авторитетные врачи часто пользовались менее вычурными «медицинскими батареями» (по сути — деревянными коробками с электродами и шкалой измерения).

Автор фото, iStock

Подпись к фото,

Может ли секрет мужской привлекательности крыться в электрическом разряде?

Тем не менее к началу 1920-х эти устройства начали выходить из моды — как среди врачей, так и среди широкой публики.

Многие из подобных изобретений до сих пор появляются на аукционах антикварных изделий, и американский коллекционер Джефф Бехари уже много лет восстанавливает их и тестирует на себе.

Сейчас его коллекция хранится в офисе компании RGF Environmental Group в штате Флорида.

В одном из наиболее странных приспособлений используется накопление статического электричества, и этим оно немного похоже на устройство, которое в 1740-е годы применял Роше.

«Пациент» вставал на деревянную платформу, а на голову ему надевали металлический обруч. Напряжение в устройстве росло, и человек чувствовал, как электрический разряд проходит сквозь его голову.

«Чувствуешь, как из твоего тела струится поток энергии», — говорит Бехари. Он отмечает, что по коже словно пробегает холодный ветерок.

«Это одно из самых расслабляющих, странных и особенных ощущений, которые только можно испытать в жизни», — добавляет он.

По его словам, пояс Пульвермахера впечатлил его не так сильно — он просто почувствовал слабый удар электрическим током. В каком-то смысле, отмечает он, это устройство было просто модным аксессуаром.

Возможно, оно и помогало устранить определенные симптомы, однако Бехари предполагает, что причина этого, скорее всего, скрывалась в банальном отвлечении внимания.

«Оно не снимало боль, а скорее помогало забыть о ней», — поясняет он.

Эксперименты над собой

Несмотря на снижение популярности этих устройств, возможность использования электричества никогда полностью не исчезала с медицинского горизонта.

Так, например, в 40-е, 50-е и 60-е годы в качестве средства лечения тяжелой депрессии применялась электроконвульсивная терапия, при которой через мозг пациента пропускали электрический ток, чтобы вызвать судорожный припадок. (Пожалуй, наиболее ярко этот метод лечения был описан в книге и фильме «Пролетая над гнездом кукушки»).

Такой терапии присущи серьезные побочные эффекты, в том числе значительная потеря памяти, и поэтому ее считают крайней мерой для самых тяжелых случаев.

Ученые считают, что — в зависимости от размещения электродов — можно активировать или деактивировать области мозга, отвечающие за различные виды мыслительной и интеллектуальной деятельности.

Этот метод уже дал определенные положительные результаты в восстановлении после сердечного приступа, облегчении хронической боли и смягчении симптомов болезни Паркинсона.

Некоторые эксперименты позволяют также предположить, что он может способствовать улучшению концентрации, памяти и даже математических навыков.

Однако скептики утверждают, что некоторые результаты могут быть совершенно случайными, и настаивают на проведении более масштабных клинических испытаний для подтверждения эффективности этого метода лечения.

Автор фото, Creative Commons

Подпись к фото,

Глядя на этот рисунок из инструкции Пульвермахера, мы можем представить себе, как мог лечить свою ногу Чарльз Диккенс

Однако это не стало помехой для использования ТКМП в домашних условиях. Для этого некоторые люди используют готовые наборы или делают соответствующие устройства сами.

Векслер изучила эту тенденцию, и в недавней статье для журнала «Стимуляция мозга» (Brain Stimulation) она проводит множество параллелей с повальным увлечением электротерапией в XIX веке.

Так, например, и тогда и сейчас у адептов метода можно отметить склонность к экспериментированию над собой, существует сообщество энтузиастов-единомышленников, которые делятся друг с другом советами.

Разница только в том, что раньше это происходило на страницах журналов, а сегодня — на форумах интернет-ресурса Reddit.

Более того, большинство обращается к ТКМП, разочаровавшись в других медицинских способах лечения, особенно в случае с такими заболеваниями, как депрессия. То же самое наблюдалось и в XIX веке.

«Эти устройства позиционировали как замену визиту к врачу», — говорит Векслер. Тогда, как и сейчас, неконтролируемое использование электрических приборов вызвало беспокойство среди авторитетных ученых и врачей.

Сегодня нейробиологи выступают за то, чтобы применение ТКМП регулировалось государственными надзорными организациями.

Векслер считает, что для оценки потенциала этих устройств, равно как и связанных с ними рисков, нам стоит обратиться к истории.

«То, что мы видим сейчас, может показаться нам какой-то невероятной новинкой, — подчеркивает она. — Но если заглянуть в прошлое, понимаешь, что ничего нового в этом нет: лечение электричеством в домашних условиях было популярным еще 100 лет назад. История повторяется».

Прочитать оригинал этой статьи на английском языке можно на сайте BBC Future.

Управление электрическими сигналами в организме может помочь ему излечить

Крошечные заряды внутри человеческих клеток стимулируют развитие формы и структуры эмбриона. В разделе вопросов и ответов Майкл Левин говорит об использовании этих искр для исправления врожденных дефектов, борьбы с раком и восстановления тканей.

В начале девятнадцатого века природа электричества оставалась загадкой для ученых. Эксперименты той эпохи показали, что искра могла вызвать подергивание мускулов мертвой лягушки или даже вызвать конвульсии у человеческих трупов — сверхъестественная пища, которая, возможно, вдохновила Мэри Шелли на знаменитый роман Франкенштейн .Спустя более 200 лет все способы, которыми электричество действует в человеческом теле, до сих пор не до конца изучены. Однако ясно, что электрические сигналы играют важную роль в раннем развитии организма.

Такие ученые, как Майкл Левин из Университета Тафтса, обнаружили, что клеточные заряды контролируют, как и где формируется структура в развивающемся эмбрионе. Что еще более удивительно, он обнаружил, что можно манипулировать формами тела, просто изменяя структуру напряжения его клеток.

Используя эту базовую технику, Левин и его коллеги успешно вырастили функционирующий третий глаз на спине головастиков. Они вызвали повреждение мозга у эмбрионов лягушки, заблокировав формирование ключевых нейронных структур, а затем отменили повреждение, изменив электрический заряд развивающихся клеток мозга. Хотя эта работа все еще носит экспериментальный характер, Левин считает, что она может оказать большое влияние на области медицины, биологии и биохимии. Он представляет себе, как однажды будет использоваться биоэлектричество, чтобы обратить вспять врожденные дефекты матки, вылечить рак или даже вырастить новые конечности у людей с ампутированными конечностями.

Левин, директор Центра открытий Аллена в Тафтсе и соавтор статьи в Ежегодном обзоре биомедицинской инженерии за 2017 год на тему , недавно рассказал журналу Knowable Magazine о состоянии биоэлектрических исследований и своих мыслях по этому поводу. его перспективы на будущее. Этот разговор отредактирован для большей ясности.

Что на самом деле означает «электрический сигнал» в контексте биологии?

Что ж, в мембране, окружающей каждую клетку, есть встроенные белки, которые могут перемещать ионы — заряженные атомы — внутрь и из клетки.Такие вещи, как калий, хлорид, натрий, протоны и так далее. И неизбежно, если вы добавите больше заряженных ионов к одной стороне мембраны, вы создадите электрический потенциал на этой поверхности клетки. Это в основном то, что происходит с батареей, когда одна сторона батареи имеет другой уровень заряда, чем другой.

Оказывается, клетки действительно могут использовать эти заряды для связи. Эти сигналы действуют гораздо медленнее, чем импульсы, которые мы привыкли слышать в нервной системе — здесь вы говорите о миллисекундных временных масштабах для информационного потока, но в биоэлектричестве развития вы говорите о минутах или даже часах.Но в конечном итоге электрический потенциал между клетками может определять, как развиваются определенные ткани или структуры.

Как именно эти электрические сигналы влияют на развитие организма?

Биоэлектрические сигналы служат своего рода переключателем главного регулятора высокого уровня. Их пространственное распределение по тканям и интенсивность говорят области эмбриона: окей, вы будете глазом, или вы будете мозгом определенного размера, или вы будете конечностью, или вы идете в левую часть тела и тому подобное.

Вы действительно можете увидеть их формирование у эмбрионов лягушки. Например, электрически чувствительные красители обнаруживают узор, который мы называем «электрическим лицом» — электрические градиенты в ткани, которые лежат там, где позже будут формироваться все части лица. Это похоже на тонкий каркас для основных особенностей анатомии, в то время как многие локальные детали, кажется, заполняются другими процессами, которые могут включать или не включать биоэлектричество. Если вы измените эти электрические сигналы в развивающемся эмбрионе, это может сильно повлиять на то, как и где формируются его структуры.

Вы можете привести пример того, как это работает с конкретным органом?

Конечно. Одна из вещей, которую мы хотели изучить несколько лет назад, — это то, как трансплантированные клетки и ткани будут развиваться в чужой среде. Мы взяли раннюю структуру глаза у эмбриона одной лягушки и имплантировали ее на спину другого эмбриона. Нас интересовали две вещи: во-первых, сможет ли получатель видеть из этого имплантированного глаза на своей спине? Достаточно ли пластичен мозг, чтобы видеть сквозь него? Во-вторых, мы хотели знать, что эта структура глаза будет делать без мозга поблизости? Куда он будет подключаться и что будут делать нейроны?

Мы обнаружили, что когда вы имплантируете эту структуру в спину развивающегося головастика, клетки глаза создают функциональную сетчатку и зрительный нерв, которые как бы извиваются вокруг и пытаются соединиться где-то в спинном мозге.Но если вы снизите электрический потенциал клеток, окружающих имплант, структура глаза сойдет с ума и из нее вырастет огромное количество новых нервов.

Оказывается, возникающие нейроны могут считывать электрические сигналы ткани, на которой они сидят. Если клетки в этой ткани обладают поляризованным потенциалом покоя — это означает, что они накопили отрицательные заряды внутри каждой клетки, — имплантированный глаз образует зрительный нерв, и это его конец. Но если они деполяризованы или имеют более низкий заряд, это дает нейронам сигнал к очень глубокому разрастанию.Мы думаем, что это пример клеток, считывающих электрическую топографию окружающей их среды и принимающих решения о росте на основе этой информации.

Значит, если вы измените биоэлектрические сигналы вокруг глазного имплантата, он перерастет в нервную систему головастика?

Да. Он не только превращается в полноценную структуру глаза, но и становится функциональным. Если удалить существующие глаза головастика, имплант позволит слепым животным видеть цвета и движущиеся формы.В нашем исследовании мы помещали ослепленных головастиков в неглубокую посуду наверху ЖК-монитора и гоняли их с маленькими черными треугольниками. Головастики постоянно плавали в ответ на движение треугольников. Мы не можем сказать, обладают ли они той же остротой зрения, что и обычные головастики, но они определенно могут видеть через этот новый имплантированный глаз.

Как вы можете управлять электрическим состоянием клетки или тканей?

Мы можем сделать это с помощью лекарств, которые нацелены на ионные каналы в клетках.В настоящий момент около 20 процентов всех существующих лекарств — это препараты с ионным каналом, которые люди принимают от эпилепсии и других заболеваний, поэтому их нетрудно найти. В нашей лаборатории мы специально делаем коктейли с лекарствами, предназначенные для определенных участков тела. Например, если вы хотите нацелить напряжение кожи, мы могли бы использовать лекарство, которое открывает или закрывает ионные каналы, экспрессируемые исключительно в клетках кожи. Вы настраиваете коктейль из лекарств, чтобы вызвать разные реакции в разных частях тела.

Вы начали в этой области как ученый-компьютерщик.Вы видите параллели между кодированием для компьютера и настройкой электрических сигналов в биологических условиях?

Совершенно верно. На фундаментальном уровне я забочусь об обработке информации и алгоритмах в системе. Неважно, состоит эта система из кремния или живых клеток. На мой взгляд, я компьютерный ученый, но изучаю вычисления и обработку информации в живых средах.

Люди, имеющие образование в области информатики, понимают, что фундаментальным в информационных науках является не сам компьютер, а то, как он выполняет вычисления.Для выполнения вычислений можно использовать множество различных архитектур и очень разных видов процессов. Люди сделали компьютеры из странных жидкостей, слизистых форм и даже из муравьев. Поэтому я думаю, что одна из самых важных вещей, которым информатика могла бы научить область биологии, — это различие между программным обеспечением и оборудованием.

В биологии и химии «оборудование» тела — клетки и молекулы внутри него — это все. Но мы должны осознать тот факт, что эти особые виды оборудования на самом деле могут запускать множество различных программ.

Что вы подразумеваете под «программным обеспечением» в биологическом смысле?

«Программное обеспечение» в данном случае — это решения о том, как клетки взаимодействуют, чтобы создать определенную структуру или ткань. Это можно изменить. Вы можете взять плоских червей с одной головкой и, ненадолго изменив электрические сигналы в их клетках, заставить их запомнить новый паттерн с двумя головами. Несмотря на то, что у вас одни и те же червячные клетки, вы получаете другой результат. И такое различие между программным обеспечением и оборудованием станет действительно важным, поскольку мы будем решать большие проблемы регенеративной медицины и синтетической биологии в будущем.

Какое применение это может иметь в мире медицины?

Я много об этом думаю. Наиболее очевидные из них — это исправление врожденных дефектов. Если мы сможем понять биоэлектрическую сигнализацию и управлять ею, мы потенциально сможем исправить то, что идет не так, когда формируется эмбрион. Это один. Мы фактически вызвали некоторые врожденные дефекты у эмбрионов животных в лаборатории и вылечили их, изменив электрический потенциал определенных клеток.

Еще один борется с раком.В настоящее время проводится изрядное количество исследований биоэлектрических сигналов как причины и потенциального супрессора раковых клеток. Вы можете нормализовать определенные опухоли, подвергая их воздействию определенных препаратов, изменяющих их электрический потенциал. В зависимости от соединений, которые вы используете, вы можете выборочно воздействовать только на определенные типы клеток, например клетки опухоли, не затрагивая при этом окружающие ткани. Это почти готово для тестирования на моделях мышей.

Третье направление — восстановительная медицина.Если мы сможем использовать электрические сигналы, чтобы убедить ткани и органы расти после травмы, мы могли бы заменить целые структуры или органы для пациентов. Биоэлектричество дает вам отличный новый набор ручек управления, с помощью которых можно регулировать поведение клеток. Будет намного проще создавать подходящие биологические структуры, если мы поймем эти крупномасштабные регуляторы, такие как электрические сигналы.

Примечание редактора: эта статья была обновлена ​​10.08.18, чтобы отметить роль Левина как директора Центра открытий Аллена в Тафтсе и исправить опечатку в описании ионов в ячейке.Также было уточнено описание того, как плавали головастики в ответ на черные треугольники на ЖК-экране.

Эта статья изначально была опубликована в Knowable Magazine , независимом издании Annual Reviews. Подпишитесь на рассылку новостей.

Как человеческое тело вырабатывает электроэнергию

Shutterstock Ли Суонсон спрашивает: Как человеческое тело вырабатывает электричество?

Фантастический вопрос Ли.Самый короткий и простой ответ — химические реакции между различными атомами и молекулами внутри тела.

Если все это кажется немного расплывчатым, позвольте мне дать вам длинный ответ, который по своей сути требует некоторой «науки». О, как я люблю длинные научные ответы, к большому огорчению некоторых читателей, которые любят писать мне по электронной почте с жалобами на это. (Я смотрю на тебя, Брэдли Х.)

Для начала необходимо немного объяснить, что такое электричество.Если вы это уже знаете, можете пропустить пару абзацев. Если нет, читайте дальше!

То, что большинство людей считают электричеством, — это просто движение электрического заряда или потенциала. Иногда известное как вторичный источник энергии или энергоноситель, электричество, которое питает все, от наших телевизоров до наших автомобилей, должно быть создано из какого-то источника энергии. Что касается электричества, существует бесчисленное множество источников, которые могут вырабатывать электроэнергию. Наиболее распространенными источниками энергии для массового производства являются гидроэлектрическая, ядерная, солнечная и ветровая.Технологический прогресс позволил нам использовать эту энергию, чтобы дать нам чудеса, такие как танцующие роботы и фонарики смартфонов.

Что мы получаем от этих источников энергии? Способность перемещать электроны. Если вы вспомните урок естествознания в средней школе, вы можете вспомнить, что разные атомы имеют разное количество протонов, электронов и нейтронов. Протоны положительны, электроны отрицательны, а нейтроны нейтральны.

Каждый основной элемент, например кислород, которым вы дышите, натрий и калий, которые вы едите, имеет определенное количество протонов и электронов, которые отличают его от других элементов.У большинства элементов такое же количество электронов, как и у протонов. Это даст ему баланс между отрицательными и положительными зарядами. Протоны находятся в ядре (центре) атома, а электроны вращаются вокруг ядра.

Интересный факт об электронах заключается в том, что их энергия ограничена определенными уровнями, известными как оболочки. Эти оболочки допускают определенные промежутки между вращающимся электроном и центральными протонами — вроде того, как планеты вращаются на разных расстояниях от Солнца.Поскольку отрицательно заряженные электроны притягиваются к положительно заряженным протонам, чем дальше от центра атома находится электрон, тем слабее он удерживается в ядре и тем легче выбить этот электрон из него.

Электроны во внешней оболочке атома, известной как валентная оболочка, настолько слабо связаны с ядром, что могут довольно легко оторваться. Если вы получаете достаточно энергии, чтобы освободить электрон и заставить его двигаться в определенном направлении, электрон в валентной оболочке соседнего атома потечет к этому атому, потому что, как мы знаем, в большинстве случаев вам нужен электрон, равный протону. соотношение в элементе.Эти свободно текущие электроны — это то, что мы получаем от внешних источников энергии. Это то, что вы называете электричеством.

Когда дело доходит до электричества, вырабатываемого в человеческом теле, источником энергии является химический. Энергия, создаваемая химическими веществами, связана с составом присутствующих атомов и молекул. Все элементы, которые мы принимаем в наш организм, такие как кислород, натрий, калий, кальций, магний и т.п.имеют определенный электрический заряд — это означает, что они имеют определенное количество электронов и протонов. Различные химические вещества состоят из разных молекул. Как эти молекулы связаны друг с другом и как они реагируют на другие молекулы рядом с ними — вот как химические вещества создают такую ​​энергию.

Когда мы принимаем пищу, большие молекулы в ней расщепляются на более мелкие молекулы и элементы нашей пищеварительной системой. Эти более мелкие молекулы и элементы могут использоваться нашими клетками для работы. Этот процесс называется клеточным дыханием.Все эти молекулы и элементы могут создавать электрические импульсы в зависимости от ситуаций в конкретных системах организма в данный момент.

В качестве конкретного примера такого рода вещей в действии, один из наиболее часто упоминаемых электрических токов, создаваемых телом, — это сердечный ритм. Наши сердца содержат группу клеток, которые находятся в верхней правой части, известной как синоатриальный узел или для краткости узел SA.Ячейки в узле SA ( кардиостимулятор сердца) содержат электролиты как внутри, так и вне клеток. Некоторые из наиболее распространенных электролитов в организме, как упоминалось ранее, — это натрий, калий, кальций, магний, фосфор и хлорид. Натрий и кальций обычно находятся вне клеток узлов SA, а калий — внутри.

Эти специализированные клетки позволяют гораздо большему количеству натрия попадать в клетку, чем калию из нее покидать.Результат — постоянно растущий положительный заряд. Как только этот заряд достигает определенной точки, кальциевые каналы открываются в клеточной мембране и позволяют кальцию проникнуть внутрь. Это делает внутреннюю часть клетки чрезвычайно позитивной, известной как потенциал действия. Как только этот потенциал достигает определенной точки, у него появляется достаточно «энергии», чтобы разряжаться по нервам сердца. Ах, чудеса химии в действии!

Электролиты, пересекающие клеточные мембраны, вызывающие электрические разряды, — лишь один из бесчисленных способов, которыми организм использует пищу, которую мы едим, для создания энергии и силы для выполнения работы.Но когда вы спрашиваете, как тело создает электричество, ответ так же прост, как «химия». Хотя это может показаться не тем электричеством, которое питает компьютер, который вы используете сейчас, по сути, это действительно так. Разница в том, какой источник энергии вызвал поток электронов и как этот поток создал реакции. Итак, если ваши глаза не потускнели во время этого небольшого научного руководства, теперь вы знаете подробный ответ на свой вопрос. Если да, то вы тоже знаете краткий ответ. В любом случае, я надеялся, что это помогло.

Если вам понравилась эта статья, вам также могут понравиться:

Бонусных фактов:

  • Люди — не единственное, что использует химическую энергию для создания электричества. Аккумуляторы — еще один чрезвычайно распространенный пример использования химической энергии. Вы можете подумать, что этот тип использования — новое технологическое достижение, которым может наслаждаться только современный человек. На самом деле химические батареи существуют примерно с 200 г. до н.э.! Старейшие из известных объектов этого типа были впервые обнаружены в 1938 году Вильгельмом Кенигом недалеко от Багдада, Ирак.Следовательно, они известны как «багдадские батареи». Это были глиняные кувшины, в которых находился медный цилиндр, заключенный в железный стержень. Доказательства кислоты были также обнаружены в банках. В то время как исследователи и ученые продолжают спорить о возможном использовании и происхождении, известно, что точные копии способны создавать примерно 0,8–2 вольта электрического тока.
  • Мы, люди, очень изобретательные существа и поэтому создаем новые захватывающие способы обуздать силу нашего тела.Один из самых интересных способов, который я нашел в последнее время, — это создание фонарика, работающего только от тепла нашего тела. В этом году Энн Макосински из Виктории, Канада, изобрела фонарик, который приводится в действие простым удерживанием. Это достижение принесло ей место в финале конкурса Google Science Fair. Для тех, кто думает, что такие подвиги подходят только взрослым с большим жизненным опытом и образованием, Анне всего 15 лет! Серьезно, все остальные из вас, кому 15. Может быть, немного меньше XBOX и немного больше экспериментов.Энн выставляет вас всех в дурном свете.
  • Поскольку электрический импульс, создаваемый нашим сердцем, и есть электричество. Аппарат, на который смотрят врачи, чтобы определить, как работает ваше сердце (электрокардиограмма или ЭКГ), является просто мерой этого электрического тока и его пути. Он был изобретен в 1903 году доктором Вильгельмом Эйнтховеном. Поскольку этот инструмент просто измеряет электрический ток в сердце, а не фактическое сжатие самого сердца, у вас может быть совершенно нормальный ритм на мониторе и все равно быть мертвым.Это известно как ПЭА или электрическая активность без пульса. Если вы видите эту плоскую линию на экране и медсестры начинают плакать, а врачи разочарованно качают головами, это означает, что в сердце отсутствует электрическая активность, и вы, скорее всего, мертвы. Если вам интересно, как читать ЭКГ, это действительно не так сложно, и я вам помогу.

5 способов использования человеческого тела для выработки электроэнергии

Думайте о человеческом теле как о высшем распределенном энергетическом ресурсе.

Из всех возобновляемых видов топлива, пожалуй, нет более устойчивого, чем ваше собственное тело.

Сегодня уже существует несколько способов, которыми человеческое тело может помочь производить электричество — от простых упражнений до человеческих отходов.

Ни одна из этих диковинных технологий не поможет спасти энергосистему в ближайшее время, но интересно представить себе будущее, в котором ваши органы смогут управлять суперкомпьютером в вашем мозгу.

1. Кровоток

Группа швейцарских исследователей во главе с инженером-биомедиком Алоисом Пфеннигером показывает миру многообещающую картину будущего: микротурбины, имплантированные в артерии человека.

Микротурбины работают так же, как гидроэлектростанции, используя поток крови для выработки электроэнергии. Из трех турбин, протестированных командой Пфеннигера, самая производительная генерирует около 800 микроватт энергии — намного больше, чем необходимо для работы кардиостимулятора.

«Сердце вырабатывает около 1 или 1,5 Вт гидравлической мощности, а мы хотим взять, может быть, один милливатт», — сказал Пфеннигер. «Для кардиостимулятора требуется всего около 10 микроватт».

Сегодня варианты использования микротурбин ограничиваются питанием датчиков артериального давления, насосов для доставки лекарств и нейростимуляторов — всем из которых требуется источник питания.В будущем возможности более диковинные.

2. Ступеньки

Люди много ходят, так почему бы не уловить эти усилия и не использовать их для выработки электроэнергии? Такова первоначальная мысль Pavegen, стартапа, который хочет, чтобы его плитки на основе шагов стали залогом будущего.

В зависимости от того, насколько сильно вы шагаете, один шаг по плитам компании может произвести от одного до семи ватт мощности. По словам Павегена, этого электричества недостаточно для питания дома, но его достаточно, чтобы зажечь уличный светодиод на 30 секунд.

Однако для Pavegen использование плитки выходит за рамки возобновляемых источников энергии. Плитки стартапа могут предоставить ранее трудные для сбора данные о привычках людей.

«Наша цель — получить ту же цену, что и обычный пол», — сказал основатель и генеральный директор Лоуренс Кембал-Кук. «И тогда это может быть на любом нормальном этаже в мире».

3. Упражнение

В спортзалах по всей стране есть велотренажеры, эллиптические тренажеры и степперы.А теперь представьте, если бы каждый из них производил электричество.

Некоторые уже делают. Придавая понятие «человеческая сила» совершенно новое значение, такие стартапы, как ReRev, Green Revolution и Human Dynamo, делают упражнения более экологически безопасными, оснастив эти машины для производства электроэнергии.

Некоторые, например ReRev, подключают эллиптические тренажеры с генераторами постоянного тока к центральному блоку с инвертором, который преобразует производимую мощность в переменный ток и отправляет ее обратно в здание и сеть. Некоторые, например Green Revolution, решили подключить велотренажеры к батареям.Другие, такие как Human Dynamo, построили индивидуальный стационарный велосипед с «ручными кривошипами» и педалями, которые вращают маховик, связанный с генератором, который может подключаться к нескольким велосипедам одновременно.

Но эти машины еще не вырабатывают энергосберегающее количество энергии — в среднем они могут вырабатывать от 50 до 150 ватт в час, в то время как велосипедист высокого уровня может генерировать более 400 ватт за тот же период.

Расчеты показывают, что эти типы машин при 5 часах ежедневного использования при 100 Вт в час будут производить только 183 киловатт-часа в год — или около 18 долларов электроэнергии.

«Я надеюсь, что через 10 или 15 лет эта технология будет в каждом оборудовании», — сказал Адам Бозель, владелец Green Microgym. «Несколько ватт от каждого из нас, пока мы потеем, могут в сумме дать что-то значительное».

4. Тепло тела

Исследователи из нескольких известных институтов, включая Технологический институт Джорджии, разрабатывают носимые ткани, которые могут генерировать электричество.

Дэвид Кэрролл, профессор физики Университета Уэйк Форест, является одним из таких исследователей.Он создал Power Felt — гибкую ткань, которая может проводить электричество и обеспечивать теплоизоляцию.

Power Felt имеет несколько вариантов использования, но был предназначен для улавливания тепла тела и его повторного использования для зарядки телефонов.

«Из тела, производящего от 100 до 120 ватт мощности, вы могли бы получить из него один или два ватта», — сказал Кэрролл. «Если вы сделаете из этого одежду, этого достаточно, чтобы начать заниматься электроникой, такой как мобильные телефоны и тому подобное.”

Кэрролл оценивает, что производство достаточно мощного войлока, достаточного для покрытия вашего смартфона, обойдется в 1 доллар.

«Пока я разговаривал с вами, задняя часть моего телефона стала горячей», — сказал он Bloomberg. «Наш кусок ткани за 1 доллар даст вам такое же усиление, как и батарея за 50 долларов.

5. Моча и кал

Мы думали о том, чтобы сделать этот номер один и два в нашем списке.

Шутки в сторону, есть несколько многообещающих способов использования энергии для отходов жизнедеятельности человека. По словам китайских исследователей, разработавших унитаз, который помогает производить удобрения и электричество, человеческие фекалии могут перевариваться в биореакторе для выделения биогаза.Кейтлин Батлер, профессор экологической инженерии Массачусетского университета, разработала яму для микробных топливных элементов. В отличие от обычной уборной с выгребной ямой, здесь компостные отходы окисляются в анодной камере. Затем электроны высвобождаются и проходят через цепь, несущую нагрузку, которая генерирует электричество.

Есть также способ использовать человеческую мочу для выработки электроэнергии. Получатель гранта в размере 500000 фунтов стерлингов от Фонда Билла и Мелинды Гейтс, исследовательской группы под руководством доктора Ф.Иоаннис Иеропулос, профессор Университета Западной Англии в Бристоле, разработал еще один микробный топливный элемент, но он работает на моче.

«Прелесть этого источника топлива в том, что мы не полагаемся на неустойчивую природу ветра или солнца», — сказал Иеропулос. Электроэнергия, работающая на урине, «настолько экологична, насколько это возможно».

«Мы очень воодушевлены потенциалом этой работы», но необходимы дополнительные исследования, — добавил он. «Пока что разработанный нами микробный топливный блок питания генерирует достаточно энергии, чтобы можно было отправлять SMS-сообщения, просматривать веб-страницы и делать короткие телефонные звонки по телефону.”

Шок тела: Электричество внутри вашего тела

В наших телах может происходить что-то шокирующее. Ну, по крайней мере, недоумение. Группа инженеров-механиков обнаружила, что жесткая и гибкая ткань, из которой состоят кровеносные сосуды, обладает удивительными электрическими свойствами — по крайней мере, у свиней.

Что это может означать для нас, я пойму позже. Но причина удивления такого результата заключается в том, что рассматриваемое свойство — то, что ученые называют сегнетоэлектричеством — обычно обнаруживается в искусственных кристаллах и синтетических материалах, используемых для телевизоров, дисплеев, компьютерной памяти и датчиков.

Сегнетоэлектричество больше похоже на электрический эквивалент магнетизма. В сегнетоэлектрическом веществе одна сторона материала имеет положительный электрический заряд, а другая — отрицательный, создаваемый неравномерным распределением электрических зарядов в составляющих его атомах или молекулах. Подобно тому, как магнитное поле может заставить стрелку компаса изменить направление, электрическое поле может подтянуть все маленькие электрические заряды в другое положение, переключая заряд в противоположном направлении.

Эта «переключаемость» делает эти сегнетоэлектрические кристаллы очень востребованными для подобных жидкокристаллических дисплеев. Исследователи, обнаружившие этот странный эффект, — Юаньмин Лю и его коллеги из Вашингтонского университета, Сиэтла и Бостонского университета — обычно работают с синтетическими материалами, подобными этим, для создания устройств для сбора и хранения энергии. Но Лю знал, что в костях и других биологических веществах были обнаружены другие неожиданные электрические явления. А в прошлом году о сегнетоэлектричестве сообщалось в твердом минеральном покрытии морских раковин.Ли интересовался, могут ли мягкие биологические ткани, такие как кровеносные сосуды, также проявить этот эффект.

Выстрел в сердце

Он и его коллеги взяли тонкий срез главной артерии, транспортирующей кровь от сердца, называемую аортой, и поместили его в специальный микроскоп с чувствительным кончиком иглы. Зонд обнаружил контрольный сигнал, связанный с сегнетоэлектричеством, и, более того, они обнаружили, что могут переключать эту поляризацию с помощью электрического поля.

С какой стати любая животная ткань должна быть сегнетоэлектрической? Как я уже сказал, в живом мире действительно используются некоторые неожиданные свойства материала.Кость, например, является пьезоэлектрической, что, как оказалось, является еще одним полезным типом поведения, на которое мы полагаемся в повседневных технологиях. Он используется, например, в датчиках давления и вибрации, таких как датчики на клавиатуре вашего компьютера, потому что пьезоэлектрические материалы производят электрический заряд при приложении к ним давления. Похоже, что костлявые существа тоже используют этот принцип: электрический ответ на сжатие кости помогает тканям измерить силы, которые они испытывают. В то же время в морских ракушках пьезоэлектричество помогает предотвратить трещины и трещины, рассеивая энергию ударного удара в виде электричества.

Хорошо, но сегнетоэлектричество? Кому это нужно? Инженеры Бин Чен и Хуацзянь Гао предположили, что это свойство может предоставить ткани другой способ регистрировать силы и, возможно, контролировать кровяное давление. Или, возможно, это свойство может определять температуру крови (поскольку сегнетоэлектричество чувствительно к температуре) или, как в морских ракушках, рассеивать механическую энергию и предотвращать повреждение. Или, может быть, это может даже действовать как своего рода «тканевая память» в сочетании с нервами. Лю, тем временем, предполагает, что переключение сегнетоэлектричества может изменить способ прилипания холестерина, сахара или жиров к кровеносным сосудам.

Однако обратите внимание, как эти исследователи не успели идентифицировать новую характеристику живого организма, как они начинают задаваться вопросом, для чего она нужна. Предполагается, что должна быть какая-то цель : эта эволюция выбрала свойство, потому что оно дает некоторую выгоду для выживания. Другими словами, предполагается, что свойство адаптивно . Это хорошая позиция для начала, потому что большинство материальных свойств тканей действительно адаптивны, от гибкости кожи до прозрачности роговицы глаза.Но возможно, что сегнетоэлектричество может быть просто побочным эффектом какой-то другой адаптивной функции ткани — результатом того, как молекулы просто расположены, что, если оно не мешает другим функциям, останется незамеченным. эволюция. Не каждый аспект биологии имеет «цель».

Все-таки тканевое сегнетоэлектричество пригодится. Если Лю прав, подозревая, что сегнетоэлектричество может влиять на то, как кровеносные сосуды поглощают жиры, сахара или липиды, то переключение его с помощью приложенного электрического поля может помочь бороться с сердечно-сосудистыми заболеваниями, возникающими в результате накопления, такими как тромбоз и атеросклероз.Если это правда, то то, что кажется эзотерическим феноменом, может помочь справиться с условиями, которые ежегодно убивают миллионы людей во всем мире.

Если вы хотите прокомментировать эту историю или что-нибудь еще, что вы видели в Future, перейдите на нашу страницу в Facebook или напишите нам в Twitter.

SCIplanet — Human Electricity

Без электричества вы бы не читали эту статью прямо сейчас, не только потому, что не работал бы ваш компьютер, но также ваш мозг и сердце.Люди общаются, передвигаются и задействуют свои пять чувств с помощью электричества, генерируемого в их телах. Электрические сигналы передаются по биоэлектрическим кабелям, известным как нервы, которые являются частями нашей нервной системы, простирающейся от головного и спинного мозга ко всем частям тела.

Нервная система служит центром управления телом и сетью электрохимических проводов связи. Это сложная совокупность нервов и специализированных клеток, известных как «нейроны», которые передают сигналы между различными частями тела.Нервная система объединяет бесчисленные биты информации и генерирует соответствующие реакции, посылая электрохимические импульсы по нервам к исполнительным органам, таким как мышцы и железы.

Нейроны несут сообщения в виде электрических сигналов, известных как «нервные импульсы», которые проходят по аксону нейрона. Задача большинства нейронов — получать сигналы от соседних нейронов, а затем передавать их другому соседнему. Нейроны общаются друг с другом, каждую секунду выполняя тысячи таких процессов.

Мозг, командный центр тела, представляет собой магистраль электрических сигналов. Он обрабатывает и каждую секунду доставляет миллионы сообщений всей инфраструктуре человеческого тела. В любой момент времени человеческий мозг производит электрический ток, достаточный для питания лампочки мощностью 15–20 Вт. Например, когда вы хотите удержать книгу руками, нервная система посылает в мозг сигналы, приказывающие вашим рукам держать книгу.

Сердце также требует электричества, чтобы функционировать.Вот почему врачи применяют электрошок к пациентам, у которых остановилось сердце. В такой ситуации никакие лекарства и витамины не могут вылечить больного. Электрическая энергия помогает сердцу транспортировать кровь и все жизненно важные материалы к органам и клеткам. Электрическая активность начинается в верхней части сердца и распространяется вниз. Нормальное сердцебиение вызывается небольшим импульсом электрического тока, который быстро распространяется в сердце и заставляет сердечную мышцу сокращаться. Сердцебиение перекачивает кровь по всему телу.

В сердце есть клетки, специализирующиеся на выработке электричества, известные как клетки-кардиостимуляторы. Нормальный пусковой механизм для сокращения сердца возникает от естественного водителя ритма сердца, синоатриального узла (узел SA), который посылает регулярные электрические импульсы, при которых активируются предсердия. Электрические импульсы проходят по проводящим путям, подобно тому, как электричество течет по линиям электропередач от электростанции к нашим домам, и здесь желудочек сердца сокращается и перекачивает кровь в легкие и тело; каждое сокращение желудочка считается биением сердца.Электрическую активность сердца можно определить с помощью электрокардиограммы (ЭКГ). В здоровом сердце узел SA обычно производит 60–100 электрических сигналов в минуту; которая является нормальной частотой сердечных сокращений или пульсом.

Электричество вырабатывается в нашем теле с помощью естественных электрических генераторов; наше тело напоминает конструкцию электрической системы; мозг функционирует как идеальный компьютер; Нервы действуют как электрические провода и устанавливают связь между спинным и головным мозгом со всем телом.

Список литературы

Производство электроэнергии из человеческого тела

Если вы смотрели серию фильмов Матрица , возможно, вас не удивит идея получения электричества из человеческого тела. С технологическим прогрессом этого века вы можете ожидать, что то, что мы когда-то считали научной фантастикой, отразится в реальной жизни. Благодаря постоянным усилиям ученых появились новые исследования, доказывающие возможность производства электричества из человеческих органов; использование некоторых жизненно важных операций, таких как еда или плач.В этой статье мы представляем некоторые из этих современных методов, которые основаны на выработке электричества из человеческого тела, и то, как ученые разработали их, чтобы они соответствовали человеческому телу.

Кровоток

Команда из Университета Фудань в Китае разработала метод получения энергии за счет движения крови по кровеносным сосудам с использованием волокон углеродных нанотрубок. Идея была вдохновлена ​​гидроэлектроэнергией, генерируемой за счет проточной воды в реках и водопадах.Точно так же электричество на основе крови вырабатывается кровотоком по артериям; формирование возобновляемого источника энергии, который не зависит от погоды, как другие. Применяя этот метод, можно было бы генерировать энергию для более простой и легкой работы имплантируемых медицинских устройств, таких как кардиостимуляторы. Количество произведенной электроэнергии с использованием этой технологии до сих пор неизвестно; таким образом, необходимо провести больше тестов на людях.

Шаги

Вы когда-нибудь думали, что можете зарядить свой мобильный телефон, бродя по дому несколько минут? Британская компания по чистым технологиям Pavegen начала преобразование кинетической энергии шагов в электрическую.В нем используется регулируемая многозадачная система пола с беспроводным передатчиком, который собирает данные, и турбины для извлечения электроэнергии от ходьбы.

Идея этого пола возникла во время ходьбы. Когда мы идем, мы толкаем землю вниз; генераторы внутри пола смещаются по вертикали от своего первоначального места, генерируя кинетическую энергию за счет электромагнитной индукции. Хотя один шаг генерирует 5 Вт энергии, что является небольшим количеством, ее можно накапливать в батареях и использовать для уличного освещения в ночное время.Это количество может зажечь уличный фонарь на 30 секунд; чем больше пешеходов наступают на пол, тем больше энергии вырабатывается.

Слезы и слюна

Вы когда-нибудь плакали из-за большого счета за электричество? Что ж, вы собираетесь сэкономить на этих слезах!

Согласно новому исследованию Лимерикского университета (UL) в Ирландии, которое было опубликовано в журнале Journal of Applied Physics , электричество может вырабатываться ферментом, известным как лизоцим, который присутствует в яичных белках, человеческих слезах и т. Д. и слюна.Лизоцим обладает свойством пьезоэлектричества *, которое может преобразовывать механическую энергию в электрическую и наоборот.

Будущие применения этого открытия могут включать активацию и контроль высвобождения лекарств в организме. Он также может заменить существующее биомедицинское оборудование, которое содержит свинец и другие токсичные химические вещества.

Глоссарий

* Пьезоэлектричество : электрический заряд, генерируемый в ответ на приложенное механическое напряжение.

Список литературы

bigthink.com
forbes.com
livescience.com
utilitydive.com

Кузов электрический | The New Yorker

С тех пор, как люди изобрели компьютерные чипы, мы мечтали подключить их к себе или подключить к ним. И почему бы нет? Живое тело по своей природе электрическое: примерно раз в секунду связка клеток размером с монету в верхней камере человеческого сердца производит электрический импульс, который поддерживает биение органа, пока пульс не прекратится и мы не умрем.Клетки переносят ионы внутрь и наружу, общаясь на языке, соблазнительно похожем на положительные и отрицательные заряды электрических цепей. Глаза, уши, нос, язык, кожа — это просто интерфейсы, способы для тела химически преобразовывать незаряженный внешний мир в ток, который, прыгая через мозг, создает наши мысли и чувства. В милливольтах мы сожалеем о наших ограничениях. Считается, что если бы мы могли синхронизировать наши синапсы с созданной руками человека электроникой, мы могли бы отказаться от своих тел и стать киборгами, которые, возможно, жить вечно, как мозги в сосудах, или загрузить нашу основную человечность в Облако.

Новый способ использования кремния в организме может встряхнуть медицинскую науку. Строительство Маурисио Алехо / Иллюстрация Ричарда Макгуайра

Проблема физическая: тело мягкое, гибкое и изогнутое, но современная электроника построена на силиконовые компьютерные микросхемы, жесткие и плоские, они могут разбиться при падении на тротуар. Джон Роджерс, застенчивый ученый-материаловед из Иллинойского университета в Урбане-Шампейне, любит указывать на то, что за 3,5 миллиарда лет эволюция решила бесчисленное количество сложных проблем, не создав ничего, похожего на кремниевый чип.«Ты думаешь о мире природы, там много неприятностей», — сказал он мне. «У вас есть условия, которые намного хуже контролируются, чем чехол для iPhone». Исследователи традиционно считали объединение электроники с биологией, используя схемы, сделанные не из неорганического кремния, а из гибких органических материалов — углеродных строительных блоков жизни. Но ток течет через эти материалы слишком медленно, чтобы приводить в действие компьютеры и гаджеты. У Роджерса была другая идея. В 2011 году он и его коллеги объявили об изобретении устройства, которое до сих пор казалось невозможным: интегральной кремниевой схемы с механическими свойствами кожи.

В журнале Science Роджерс показал то, что выглядело как золотой штрих-код — схему, заключенную в прозрачный слой высохшего клея. На фотографиях видно, что он приклеился к предплечью постдока, так что его провода были видны или спрятаны под временной татуировкой с изображением пирата в шляпе Боевого Иллини. Схема растягивалась и морщилась при растяжении и сжатии. Он был водонепроницаемым и мог получать энергию от радиоволн, которые излучаются мобильными телефонами, для измерения температуры кожи, давления от отека, уровня гидратации и электрических сигналов от мозга и сердца.Чтобы иным образом собрать эту базовую медицинскую информацию в режиме реального времени, необходимо, чтобы человек был привязан к машинам, что ограничивает возможность изучения здоровья или физиологических показателей солдата, скажем, балерины или страдающего бессонницей. Беспроводная медицинская нашивка сделает ненужным большую часть неуклюжего диагностического оборудования в больницах.

Устройство Роджерса, провозглашенное первой «эпидермальной электронной системой», произвело фурор. Он получил сотни электронных писем от компаний, которые надеялись на сотрудничество: продавцов косметики, фармацевтических препаратов, спортивных напитков и оборудования для фитнеса, а также дизайнеров одежды, «боди-художников», государственных исправительных учреждений, Национальных институтов здравоохранения, Министерства обороны США. Агентство исследовательских проектов и C.Я. (Этим летом, выяснив, что у Роджерса нет демонов, которыми его можно было бы шантажировать, ЦРУ выдало ему сверхсекретное разрешение службы безопасности.) За последние несколько месяцев он посетил Бостон, Дейтон, Индианаполис, Нэшвилл, Сиэтл, Вашингтон. , Округ Колумбия, Китай, Германия, Корея и Швейцария. «Куда бы мы ни пошли, людям нужно устройство, которое можно надеть на ту часть человеческого тела, которую они изучают», — сказал он мне.

Встреча живых систем и электронных систем называется «биоэлектроника».«В последние годы исследователи создали интерфейсы мозг-компьютер, которые позволяют пользователям удаленно управлять гаджетами с помощью своего разума; имплантаты ретинальных электродов, которые могут вернуть слепому зрение; съедобный датчик, работающий от желудочного сока, позволяет пациентам контролировать свою реакцию на лекарство с помощью приложения для мобильного телефона. Но, возможно, ни одна другая исследовательская группа не создала класс устройств, которые также работают, охватывают такой широкий спектр потенциальных приложений и так близки к готовности, как устройства Роджерса.Он имеет более сотни патентов и является соучредителем шести стартапов, привлекая десятки миллионов долларов инвестиций. Десяток его гибких, растягиваемых устройств уже используются в биомедицинских исследованиях; еще пять скоро станут коммерческими продуктами. Недавно было завершено первое клиническое исследование на людях с использованием электронного кожного устройства Роджерса для оценки заживления ран. Другой, исследующий апноэ во сне, находится в стадии разработки.

По сути, Роджерс переосмыслил кремний, металлоид, который благодаря своему изобилию, низкой стоимости и возможности работы с двоичными битами стал известен компьютерным инженерам как материал Бога.«Он может взглянуть на материал и сказать:« Что мы можем с ним сделать, что полностью отличается от всего, что делалось раньше? »- сказал мне другой инженер по биоэлектронике. «Внезапно этот материал, который люди изучали последние пятьдесят лет, обретает иную роль».

Сотрудничество имеет решающее значение для успеха Rogers. В октябре Марвин Слепян, директор отделения интервенционной кардиологии в Центре сердца Сарвер при Университете Аризоны в Тусоне, который часто работает с Роджерсом, пригласил меня в свою лабораторию, где он произвел сердце теленка в пластиковом контейнере для супа, приобретенном в местный бакалейщик и предложил мне пару латексных перчаток.Сердце было гладким и эластичным, размером и формой с человеческое сердце. Слепян положил его в лоток и скальпелем открыл верхнюю камеру — атриум. Внутри его стены были покрыты волнистыми складками. Ткань нижних камер — желудочков — галечная. Сквозь желудочки, сверху вниз, туго натянуты заросли разветвляющихся розовых тяжей.

Чтобы определить местонахождение аритмий — ложных электрических сигналов, которые могут вызвать сердечную недостаточность или инсульт, — врачи вводят катетер через артерии пациента в этот лабиринт.Катетер имеет серебряный наконечник, похожий на колпачок шнурка, обычно с двумя электродами на нем. Опытный практикующий должен проткнуть двести точек в течение двух часов, чтобы создать карту электрической активности. Врачи могут использовать такую ​​карту для определения источника аритмии, а затем они могут иногда вводить другой катетер, чтобы сжечь и разрушить место, где, по-видимому, возникают аберрантные импульсы. Но, поскольку каждый сигнал записывается в разное время, нет возможности наблюдать, как импульс распространяется через ткань, а это означает, что знание места ожога неточно.

Затем Слепиан показал мне прототип нового типа катетера, который был построен с использованием технологии Роджерса и, вероятно, через несколько лет будет в больницах. Вместо металлического наконечника у него был спущенный баллон, покрытый гофрированной интегральной схемой, которая могла поддерживать более сотни электродов, а также другие датчики. Слепян вложил шарик в сердце и накачал его. Когда он раздувался, контур соответствовал бороздкам органа и вступал в контакт с труднодоступной тканью, что позволяло ему отображать сотню электрических сигналов одновременно на более широкой площади и с гораздо большей детализацией, чем это было возможно раньше.Его также можно заставить работать в обратном направлении, чтобы применять точную обработку ожога, подавая ток, а не обнаруживая его.

Роджерс настолько прозаичен в отношении потенциала своих устройств и деталей того, как он будет собирать и тестировать их, что иногда кажется, что будущее наступило некоторое время назад, и вы были последними, кто это заметил. Когда я впервые разговаривал с ним по телефону, он описал, как люди с проблемами сердца однажды будут носить автономный «искусственный перикард» — пленочное устройство, которое можно надевать на сердце, как носок.Он будет работать на энергии, полученной от движения органа, следить за здоровьем отдельных клеток и исправлять нарушения, подавая бесконечно малые толчки через любой из сотен электродов или доставляя лекарства, удерживаемые в студенистых, тонких, как тень, стенках устройства. (Для сравнения, типичный кардиостимулятор с двумя электродами, расположенными внутри сердца и прикрепленными проводами к батарее, которая имплантирована в грудную клетку и которую необходимо заменять каждые пять-десять лет, — кажется формой наказания.Осенью прошлого года исследователи из Лаборатории сердечно-сосудистой инженерии и визуализации Вашингтонского университета в Сент-Луисе надели устройство на сердце кролика, бьющееся с помощью солевого насоса, и показали, что они могут собирать измерения, не нарушая движения органа. Обернутое таким образом сердце выглядело как клубника с золотыми датчиками семян. Чтобы смоделировать сердечный приступ, остановили подачу физиологического раствора; устройство картировало потерю кислорода, измеряя уровень pH ткани.В настоящее время люди с симптомами сердечного приступа должны дождаться результатов анализа крови, чтобы точно знать, есть ли он у них; если да, то их клетки уже умирают. Искусственный перикард обнаружит и вылечит сердечный приступ до появления каких-либо симптомов.

«Там двадцать или больше лет, — сказал Роджерс. «Но мы видим путь — это не научная фантастика». Постепенно наши клетки и ткани становятся просто еще одним брендом оборудования, которое нужно модернизировать и совершенствовать. Я спросил его, позволят ли в конечном итоге электронные компоненты нам жить вечно, и думает ли он, что это принесет облегчение, станет свидетельством того, что мы потеряли наши души и стали роботами, или и то, и другое.«Об этом хорошо думать, и люди должны думать об этом», — сказал он. «Но в основном я просто инженер».

Студенты шутят, что Шампейн, штат Иллинойс, студенческий городок, окруженный обширными кукурузными и соевыми полями, является идеальным местом для выполнения большого количества работы. Во вторник августа я встретил Роджерса в семь тридцать в его офисе, в здании из красного кирпича на окраине кампуса, куда он приезжает каждое утро, кроме субботы, в четыре часа. Внизу дверь была незаперта, и коридор второго этажа, длинный и освещенный, как буква Е.Р., было пусто, если не считать дворника, вытирающего мужскую ванную комнату. «Это хорошо, потому что здесь тихо», — сказал Роджерс. «Вокруг никого нет. К восьми половине восьмого уже царит хаос.

Роджерс, сорок шесть лет, у него совершенно прямой нос и стрижка в виде шлема. На нем была одежда, которую он, казалось, оптимизировал: брюки цвета хаки с поясом поверх застегнутой рубашки, манжеты закатаны до предплечий, а также часы Casio, на которых день недели отображался гигантскими буквами.Недавно он взял на себя руководство университетской лабораторией материаловедения имени Фредерика Зейтца и офисом, который к ней присоединился. На полках стояли пластиковые модели органов, украшенные наградными досками и грамотами; он выиграл стипендию гения Макартура и премию Lemelson-M.I.T. Приз среди других важных наград. На его столе лежал устаревший, восемь на десять, его сын, которому сейчас одиннадцать, в красном свитере; содовая от компании Einstein Bros. Bagels; и наушники с шумоподавлением, которые он использует для прослушивания мягкого джаза во время работы.«Я думаю, что то, что мы делаем, на каком-то уровне — это джаз, потому что мы не знаем точно, что делаем», — сказал он.

Роджерс описывает свои открытия как серию счастливых случайностей, как если бы он регулярно поскользнулся на банановой кожуре и увидел сокровища через трещину в половицах. «Я не мог сказать вам, чем мы будем заниматься через год, и уж тем более через пять лет», — сказал он. Десять лет назад он был директором отдела физики конденсированного состояния в Bell Labs в Мюррей-Хилле, штат Нью-Джерси, где он работал над разработкой органической электроники, которую можно было использовать для изготовления сворачиваемых телевизоров и компьютерных экранов.Ему не повезло возглавить первое в лаборатории дело о мошенничестве, совершенное молодым физиком из его отдела; расследование очистило Роджерса от любых правонарушений, но инцидент помог убедить его начать все сначала в академических кругах. Он понял, что хотел разработать устройства, которые могли бы оказать существенное и немедленное влияние на общество. Его по-прежнему привлекала задача сделать электронику гибкой и растягивающейся, но он знал, что даже если бы устройства, над которыми он работал, можно было усовершенствовать, потребуются десятилетия, чтобы собрать отрасль для их массового производства.У кремниевых интегральных схем уже есть производственные мощности на миллиарды долларов.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.