Почти полвека назад академик Борис Петрович Никольский отметил, что стекло обладает ионообменными свойствами. В водных растворах стекло гидратируется, и если раствор кислый, нейтральный или слабощелочной, ионы водорода в растворе замещают ионы натрия на поверхности стекла. Разность потенциалов на границе раздела стекло раствор определяется тогда концентрацией водородных ионов. Это свойство (так называемая селективность) используется при создании стеклянных электродов для измерения кислотности растворов. Созданы были не только стеклянные ионоселективные мембраны, но и мембраны, изменяющие числа переноса ионов из фторида лантана, хлорида, бромида, йодида серебра и других веществ. Стало возможным определять концентрацию ионов галогенидов в различных растворах.
Широко пользуются электрохимическими методами медицина и физиология. Чтобы определить разность 130
электрических потенциалов между двумя точками живой клетки, применяют микроэлектроды — тоненькие стеклянные трубочки с металлическими наконечниками, заполненные физиологическим раствором. В свое время исследователи предпринимали попытки измерить содержание кислорода с помощью незащищенного платинового электрода, вводимого в контролируемый орган. Из этого ничего не получилось, так как компоненты крови и других биологических жидкостей адсорбировались на электроде и препятствовали восстановлению кислорода. В катетерных микроэлектродах современной конструкции платиновый (индикаторный) электрод вместе с электродом сравнения помещен в раствор электролита, отделенный от анализируемой крови гидрофобной (несмачиваемой) пористой пленкой из тефлона. Растворенный в крови кислород диффундирует через заполненные газом поры тефлоновой пленки в электродное отделение и восстанавливается на платиновом электроде.
Когда кровь течет через капилляры кровеносной системы, возникают потенциалы течения, являющиеся одним из источников биопотенциалов. Установлено, например, что один из пиков электрокардиограммы обусловлен возникновением потенциалов течения крови в коронарных сосудах сердца. Эти потенциалы измеряют в кардиологических клиниках и лабораториях.
В медицинской практике широко применяют электрофорез. Он служит для разделения белков, аминокислот, антибиотиков, ферментов, антител, для диагностики и контроля за ходом болезни. Столь же распространен и ионофорез — метод введения лекарственных веществ в организм через кожу постоянным током.
Известный аппарат «искусственная почка», к которому подключают больного при острой почечной недостаточности, основан на явлении электродиализа. Кровь протекает в узком зазоре между двумя мембранами, омываемыми снаружи физиологическим раствором. Благодаря большой площади мембран и наложенному электрическому полю из крови удаляются шлаки — продукты обмена и распада тканей.
Размышляя о взаимодействии химических и электрических явлений, Фарадей сказал: «Как ни чудесны законы и явления электричества, которые мы наблюдали в мире неорганического вещества и неживой природы, интерес, который они представляют, вряд ли может сравниться с тем, что вызывает та же сила в соединении с нервной системой и жизнью».
И в самом деле, ваша рука только что перевернула прочитанную страницу, мыщцы вашего глаза направили его на эти строки, другие мышцы изменили кривизну хрусталика, чтобы сфокусировать изображение букв на поверхности сетчатки... Все это произошло по приказу нервных импульсов, генерируемых в нервной клетке. Во многих, если не во всех биологических процессах мы при внимательном рассмотрении обнаружим электрохимические звенья.
Еще в середине прошлого века была высказана мысль, что поверхность живой клетки имеет общие свойства с электродом в гальванической ячейке. Это оставалось гипотезой до середины 20-х годов нашего столетия, когда стало ясно, что клетки окружены тонкой мембраной весьма сложной структуры. Отдельные части мембраны обладают полупроводниковыми или ионоселективными свойствами — пропускают ионы одного знака или одного элемента (либо калия, либо натрия, например). На такой избирательности основано появление мембранного потенциала, от которого зависит работа информационных и энергопреобразующих систем организма. Мембранный потенциал обеспечивает передачу нервных импульсов, с помощью которых мозг командует работой органов и тканей, а также преобразование химической энергии в механическую.