XI. Bioelektromosság XI.1. Az élő szervezet és az elektromosság Közismert fogalom, hogy a testeket felépítő atomokat és molekulákat elektromos töltéssel rendelkező részecskék alkotják. Az atommagban pozitív töltéshordozó protonok találhatók, az atommagot körülvevő atomburokban negatív töltéshordozó elektronok vannak, amelyek mindegyike az ún. elemi elektromos töltés e = 1,6 ⋅10 −19 C mennyiségét hordozza. Az atomok elektromosan semleges részecskék, mivel az elektronburokban található negatív töltések qe=–Ze összmennyisége ugyanakkora mint a magban található qm=+Ze pozitív töltések nagysága. Ezért természetes állapotukban az atomok nem mutatnak elektromos tulajdonságot. Az atom vagy molekula elektronleadással pozitív ionná, illetve elektronfelvétellel negatív ionná válik, ezáltal atomi szinten a különnemű töltések algebrai összege továbbá nem zérus . Mindaddig amíg valamely anyagban egyenletes eloszlásban és egyenlő mennyiségben találhatóak a különnemű elektromos töltések, a töltések egymás elektromos hatását semlegesítik és az anyag nem mutat elektromos tulajdonságokat. Az elektromos jelenségek kiváltása mindig energiabefektetést igényel. Bármely test esetében elektromos tulajdonság akkor jelentkezik, ha a töltéseloszlás nem egyenletes, vagy abban az esetben ha a test egészében egyik vagy másik elektromos töltésmennyiség fölöslegben van jelen. Az anyagok természetétől függően beszélhetünk szabad elektromos töltéshordozókról, ha annak felépítésében viszonylag szabadon mozgó elektromos töltéshordozókat találunk. Például, a fémekben az elektronok nem tartoznak kifejezetten egyik vagy másik atomhoz, hanem a kristályrácsot felépítő fémionok közös tulajdonát képezik. Ez annak eredménye, hogy az atomburok gyengén kötött vegyértékelektronjai kiszakadnak az atomkötelékből és a szabad elektronok rendezetlen termikus mozgást végeznek a pozitív fémionok rácsterében. Hasonló jelenséget tapasztalhatunk a savak, sók, bázisok vizes oldatai esetében (ezeket elekroliteknek nevezzük), amelyekben az elektrolitikus disszociáció eredményeként az oldott anyag ionjai szabad elektromos töltéshordozóként mozoghatnak. Az oldódó anyag molekuláinak, ionjainak szétválasztásához energia befektetés szükséges, tehát hőelvonással járó folyamat. Az oldódást követő molekuláris rendeződés hőfelszabadulást eredményez. Víz esetében történő hidratációnak nevezett folyamat, illetve általánosan szolvatációnak nevezett folyamat hőcserével járó folyamat. Ha a hőfejlődés nagyobb a hőelvonásnál, az oldódási hő pozitív, ellenkező esetben negatív oldódási hőről beszélunk. A töltéshordozók rendezett elmozdulása az adott közegben a felhasznált vegyi, mechanikai, stb. energia róvására történik. Az elektromos erőteret jellemző E térerősségvektor, illetve a q töltésmennyiségre ható F erővektor között felírható összefüggés: F E= q amely értelmében az elektromos térerősség vektorának irányítása megegyezik az adott pontba helyezett pozitív elektromos töltésre ható erő irányával. Ezért az elektromos
erőteret szemléltető erővonalak olyan görbék, amelyekhez húzott érintő minden pontban megadja a térerősség irányát, ennek irányítását egyezményesen a pozitív töltéstől a negatív töltés fele választjuk. Azokat az elektromos tereket, amelyeknél a térerősség iránya és nagysága minden pontban azonos, homogén erőtérnek nevezzük. Az elektromos [U ] = 1 V . térerősség mértékegysége E SI = [d ] m A töltésnek elektromos erőtérben való elmozdítása munkavégzést igényel az erőtér részéről. A töltés elmozdulásakor végzett munka egyenlő az elektromos feszültség és a töltés szorzatával: [L]SI = 1 J = 1 C ⋅V L = q ⋅U ahol U az elektromos feszültség skaláris mennyiség a fennálló potenciálkülönbséget jelenti a tér két pontja között, amelyek közt a q pontszerű töltés elmozdulása végbemegy. Az elektromos erőtér munkájának kifejezéséből következik, hogy a Nemzetközi Mértékrendszerben használt 1 joule energiaegység helyett a volt·coulomb mértékegységet is használhatjuk. A részecskefizikában energiaegységként gyakran használjuk az elektronvolt mértékegységet. Egy elektronvolt (eV) azt a mozgási energiát jelöli, amelyet
[]
egy elektron nyer 1 V gyorsítófeszültség hatására: 1 eV = 1,6 ⋅10 −19 J , illetve ennek milliószorosa a megaelektronvolt (MeV), 1 MeV = 1,6 ⋅10 −13 J . A külső elektromos erőtér által kifejtett erőhatás eredményeként a fémes vezetőkben levő szabad elektronok, az elektrolit oldatokban az ionok irányított mozgása figyelhető meg. Mivel a pozitív ionok a negatív katód irányában (kationok), a negatív ionok a pozitív anód irányában mozognak (anionok), ezért elektrolitek esetében az I elektromos áramintenzitás értéke a kation-anion kettősvezetés által meghatározott mennyiség: I = F ⋅ S ⋅ (Z kation ⋅ vkation ⋅ C kation − Z anion ⋅ vanion ⋅ C anion ) amely kifejezésben Z jelenti az ionok vegyértékét, C az ionok koncentrációját, v az ionok mozgási sebességét, S a vezetőoszlop keresztmetszetét, illetve az egy kilogramegyenérték ionmennyiség töltését megadó Faraday-féle állandó F = 9,65 ⋅10 7 C . A töltéshordozók mozgékonyságát az egységnyi térerősség által meghatározott mozgási sebességgel jellemezzük. Az elektrolitek vezetőképessége (ionvezetés) nagyságrendekkel kisebb mint a fémvezetőké (elektronvezetés), tekintettel az ionok alacsony mozgékonyságára. Az oldás folyamatában az oldószer molekulái behatolnak az oldott anyag molekulái, atomjai, ionjai közé és azokat szétválasztva kisebb vagy nagyobb atom-, illetve molekulacsoportokra (angol szóval cluster=”fürt”) szakítja. Jellegzetesen a vízmolekulák erős dipólus szerkezete következtében, a sóknak vízben való oldódási folyamatában a szomszédos ionok közötti elektromos kötés fellazul, ugyanakkor a dipólus viselkedésű vízmolekulák és az ionok kölcsönhatása következtében új struktúra kialakulását eredményezi. Vizes oldatok esetében az oldószermolekulák (víz) és a szétválasztott só-ionok kölcsönhatása eredményeként az utóbbiakat ún. hidrátburok veszi körül, amelyben az ionokkal közvetlen szomszédságban levő dipólusos vízmolekulák sugarasan irányított helyzetet foglanak el (1. ábra). Ennek a rendezettségnek a térbeni kiterjedését a hőmozgás mértéke korlátozza és az iontól távolodva egyre csökken a rendezettség.
1. ábra. Pozitív és negatív ion hidratációja
Az elektromos töltéstranszport egyenlete kifejezi a dt időintervallum alatt, a dS dU felületelemen áthaladó dq elektromos töltésmennyiség nagyságát, amelyet a dx feszültség-gradiens határoz meg: dU dq = −κ ⋅ ⋅ dS ⋅ dt dx ahol, κ az adott közeg elektromos vezetőképességi tényezője. Ha egy elektrolitben a különnemű töltéshordozók eltérő koncentrációban vannak jelen és eltérő mozgékonysággal rendelkeznek, a különböző koncentrációjú tartományok között potenciálkülönbség lép fel. Ezt a potenciálkülönbséget diffúziós potenciálnak nevezzük, amely mindaddig fennáll, amíg a koncentrációkülönbség nem egyenlítődik ki. A növényi testeket víz és szárazanyag alkotja, amely szárazanyagnak nagyobb része szerves eredetű, kisebb része ásványi eredetű. A növények vízfelvétele kisrészben a leveleken, többségében azonban a gyökérszőrökön keresztül valósul meg, amely során vízben oldott ásványi- és szervesanyagok formájában fedezik a szervezetük felépítéséhez szükséges tápanyagokat. A növényi test legfontosabb szerves vegyületei a szénhidrátok, fehérjék, vitaminok, növényi hormonok (pld. auxin), növényi olajok, stb., amelyek felépítésében a legfontosabb organogén elemek a C, O, H, N, S. Az ásványi eredetű táplálóanyagok családjában fontos aniontípúsú makroelemek a N, P és a S, míg kationtípúsú elemek a K, Ca és Mg. Ugyanakkor, a nyomelemek (mikroelemek) családjába sorolható Cl és B aniontípúsú elemek, míg a Fe, Mn, Zn, Cu, Mo kationtípúsú mikroelemek biztosítják a növény optimális fejlődését. A felsorolásban nem szerepelt a Na és a Si, amelyek szinte minden növényben kimutathatók. Korszerű felfogás szerint a növények víz- és ásványisó felvétele, valamint ezek sejtplazmába való jutása az anyagcserefolyamat által van szabályozva. Az élő plazmában állandó változás zajlik le: elsősorban változik az elektromos töltés, amely a fehérjék és az aminosavak oldalláncainak szabad negatív és pozitív töltésű csoportjaiból származik. Általában az élősejt plazmája a kationokat könnyebben veszi fel, mint az anionokat, ugyanis a citoplazma negatív töltéseinek koncentrációja túlsúlyban van a pozitív töltésekéhez viszonyítva. A plazma ionfelvétele alapvetően négy lépésben valósul meg: a felületi kötődés (adszorpció), a felületi elnyelődés (abszorpció), a továbbítódás (transzportáció) és a plazmában való felhalmozódás (akkumuláció) folyamatában. Az élő sejtek belsejében levő intracelluláris folyadék (ionokban gazdag citoplazma, amelyben oldott proteinek és lipidek vannak), illetve az extracelluláris (interszticiális) folyadék többféle iont tartalmaz, amelyek között legnagyobb szerepe a
Na+, K+, Ca2+ és Cl¯ ionoknak van. A sejtmembrán szelektív átjárhatóságot tanúsít bizonyos ionok számára, más ionok számára viszont átjárhatatlan. Ezért a rendszer koncentrációs elemként viselkedik és a folyadéktartományokat elválasztó sejthártya (vastagsága 50…250 Å) két oldalán kialakuló koncentrációkülönbség sejtenként kb. 20…100 mV nagyságú nyugalmi elektromos potenciálkülönbséget (bioelektromosságot) eredményez. A sejtmembrán permeabilitási tulajdonságaitól függően az ionkoncentráció- és potenciáldifferencia eltérő értéket mutat. A membránpotenciál mérésére két darab nempolarizálódó mikroszondát használnak, ahol az egyik elektródot a sejten kivüli tartományba, a másikat a sejt belsejébe helyezik. A sértetlen sejtfelületet zérus potenciálon levőnek tekintve, a sejt belseje negatív potenciálon van a sejtfelülethez képest. Abban az esetben amikor egy sejtre megfelelő ingert alkalmazunk, a sejtpotenciál változást mutat a nyugalmi állapothoz képest, amelyet akciós potenciálnak nevezünk. A potenciálváltozást a membránként viselkedő sejtfelület permeabilitásában bekövetkezett változás eredményezte, ugyanis a nátriumionok számára a membrán átjárhatósága kb. 500-szoros növekedést mutat a nyugalmi értékhez viszonyítva. Ennek eredményeként a nátriumionok a sejt belseje, míg a káliumionok pedig az extracelluláris tér felé vándorolnak és egy-két ezredmásodpercnyi időre depolarizálódik. A depolarizálódás következtében a sejthártya belső felszíne pozitívvá válik (kb. +20 mV pozitív sejtpotenciált eredményez az interszticiális folyadék zérus potenciáljához viszonyítva), amely feszültségimpulzust akciósfeszültségnek nevezünk. A különböző szöveteket és szerveket alkotó élősejtek ingerlésével térben és időben egymástól független akcióspotenciálok gerjeszthetők, amelyek összegződése bioelektromos ingerfeszültséget eredményez. Az akciós potenciál és az általa meghatározott áram mind az állati, mind a növényi szervezetben fellép. Az inger kiváltása történhet optikai úton, pld. a levél megvilágításával, vagy mechanikailag pld. érintésre érzékeny mimóza esetében. XI.2. A légköri elektromosság és biológiai hatásai Földünk légburkát alkotó levegő elektromos szempontból nem egy tökéletes szigetelő, hanem annak vezetőképessége lehetővé teszi a légkör szabad töltéshordozóinak elmozdulását, áramlását. A különnemű töltéshordozók szétválása elektromos erőtér kialakulását eredményezi, amely térerősség időben és helyről helyre változik. A térerősség átlagos V értéke földközelben E ≅ 100...140 , amely a magassággal fokozatosan csökken (2. m ábra).
2.ábra. Elektromos térerősség a földfelszín közelében
A töltéshordozók eloszlása nem egyenletes, a földfelület negatív töltéshordozókkal, fölötte viszont a légkör pozitív töltéshordozókkal van telítve, amely koncentráció a magassággal fokozatosan csökken. A földfelület és a több tízkilométer magasságban levő légrétegek közötti elektromos feszültség kb. 100 000 V… 400 000 V értékre becsülhető. A Föld légkörben naponta zajló elektromos kisülések („villámlások” vagy „Szent Elmo-tüzek”) vannak, amelyek átlagban naponta kb. 300 alkalommal ismétlődnek. A kisülések átlagosan a Föld felszínére kb. 1800 A áramerősséggel juttatnak negatív töltéseket. Zivataros időben a felhők alsó rétege és a földfelszín között megváltozik az elektromos tér eloszlása, esetenként a többmillió volt elektromos feszültség kialakulása és a légtér magas páratartalma elektromos átütést eredményez, amely a többszázméteres kisülési plazmazsinor mentén folyó igen erős áram következtében a töltéskiegyenlítődéshez vezet (3. ábra).
3. ábra. Zivatarfelhő töltéseloszlása és elektromos erőterének ábrázolása
A természetben megfigyelhető légköri elektromosság kialakulásában főként az ionizáció játszik szerepet. Ebben meghatározó tényező a talajban és a levegőben nyomokban jelenlevő radioaktív anyagok sugárzása, valamint a kozmikus sugárzás. Az ionizációt gerjesztő radioaktív anyagok között megemlítendő az urán, a tórium és ezek radioaktív származékai. Ezek között jelentős a kálium K41 természetes radioaktív izotópja által meghatározott sugárzás. Átlagban másodpercenként a levegő 1 cm3 térfogatában talajszinten 12 ionpár képződik a különböző sugárzások hatására, amelyből kb. 4-et a talajban levő radioaktív anyagok sugárzása, kb. 6-ot a talajból a légkörbe jutott gáz alakú radiokatív anyagok sugárzása hoz létre, és átlagosan mintegy 2 ionpár keletkezik a kozmikus sugárzás hatására. A levegőben jelenlevő szilárd és folyékony részecskék (por és koromszemcsék, finom eloszlású vízcseppek, stb.) töltéshordozókká válnak azáltal, hogy adszorpció útján kisebb-nagyobb ioncsoportokat vesznek fel. A semleges molekulákhoz kapcsolódó ionok összetett ioncsoportok kialakulásához vezetnek, amelyek töltéssel rendelkező szuszpendált részecskék formájában térben és időben változó koncentrációjú töltéshordozókká válnak. Ezek a változások összefüggést mutatnak a meteorológiai viszonyok változásával és a kozmikus folyamatokkal (pld. a Naptevékenységgel), de periodikus változás jelentkezik a napszakokkal, az évszakokkal, stb.
Mivel a Nap sugarai közvetlenül nem melegítik fel a légköri levegőt, a levegő hőmérséklete a magassággal kilométerenként kb. 6 °C –kal csökken. A légkör a Föld felmelegedett felszínétől konvektív áramlások következtében kapja a hőt és a hőkonvekció által meghatározott légmozgások felfele irányúló töltésáramlást is okoznak. A töltésszeparáció következtében kialakult elektromos erőtér ugyanakkor egy lefele irányúló elektromos áramlást okoz. Ezek a folyamatok az egész Föld felületére kiterjedően a két áramrendszer dinamikus egyensúlyát eredményezik, viszont lokálisan jelentős eltérések tapasztalhatók. A függőleges konvektív áramlások megszünnek kb. 20 km fölötti magasságban (a troposzférán túli magasságban) és a sztratoszférában (20… 80 km közötti tartományban) az egymás fölött fekvő ritka levegőrétegek szinte egyáltalán nem keverednek. Ezen a magasságon túl az erős ultraibolya sugárzás következtében a levegő nagymértékben ionizált állapotban található, ugyanis az ultraibolya kvantumok az oxigén- és nitrogénatomok külső héjáról elektronokat szakítanak le (4. ábra).
4. ábra. A Föld és a földi légburok jellegzetes rétegei
A nagyon kis sűrűségű légtérben a pozitív ionok és a negatív elektronok ütközési valószínűsége igen alacsony, ezért az ionoszférának nevezett övezet elektromos vezetőképessége igen jó. Az ionoszféra biztosítja a földről kibocsátott rádióhullámok jó visszaverődését. Az ionoszférában haladó erős elektromos áramok által keltett mágneses terek hozzáadódnak a Föld állandó mágneses teréhez, ezáltal ennek kisebb mértékű fluktuációját idézve elő. A Föld mágneses terének változásáról felismerték, hogy az élő szervezetekre bioritmust szabályozó hatást gyakorol (pld. vándormadarak, egyes rovartípusok tájékozódása, stb.). Egyes szakemberek véleménye szerint a mesterségesen okozott mágneses változások az élőszervezetek működésében zavaró hatást fejtenek ki. A kialakuló mágneses erővonalak a lassan mozgó elektromos töltéseket a Földi mágneses sarok irányában terelik, amelynek látványa az „északi fény” jelenségében azonosítható (5. ábra). A meteorológiai viszonyok változása befolyásolja az életfolyamatokat, amelyek bonyolult módon hatnak a jelenlevő pozitív és negatív töltésű ionok koncentrációja függvényében. A meteorológiai viszonyoktól függően a kis- és középméretű ionok (<10-6 cm) köbcentiméterenkénti száma kb. 102…103 ion/cm3, illetve a nagyméretű ionok és szuszpendált részecskék (10-6…10-5 cm) száma kb. 103…104 ion/cm3 között változik. A légköri szennyezés következtében csökken a kisméretű töltések száma a nagyméretű
töltések számának növekedése róvására, mivel a légkörben levő szennyezések kondenzációs gócokat alkotnak a kisméretű ionok számára.
5. ábra. Fényképfelvétel az „Északi-fény” jelenségéről
Biológiai vonatkozásban a negatív töltéshordozók túlsúlya kedvező, az idegrendszeri tevékenységre nyugtató hatást fejt ki és ezzel magyarázható az erdős vidékek valamint a tengeri levegő üdítő hatása. A pozitív töltéshordozók túlsúlya viszont ingerlékenységet okoz, az idegrendszer tónusának fokozásával nő a vérzékenység, stb. Az élettani hatások feltehetőleg molekuláris szinten végbemenő folyamatok következményei, amelyek jelenleg is csak részben tisztázottak. A légköri elektromosság pozitív hatását észlelték a növények és állati szervezetek fejlődésében. A légkör elektromos állapota befolyásolja a növények ozmózisfolyamatát, a sejtek és a környezet viszonyát. Kezdeti kísérletek történtek a növények biolektromos viselkedésének és az elektromos áram vegetatív folyamatokban kifejtett hatásának tanulmányozása céljából, azonban számos nyított kérdés megválaszolásra vár még.
