Как возникает нервный импульс
Когда Бернштейн пришел к своей идее о природе «животного электричества», он, конечно, постарался объяснить на этой основе не только возникновение потенциала покоя, но и второе, главное явление электробиологии - явление возбуждения. К этому времени, как вы помните, не было уже сомнения, что в основе и сокращения мышцы под действием раздражения, и передачи сигнала по нерву лежит электричество. Именно Бернштейн, работая тогда вместе с Германом, доказал прямыми экспериментами, что возбужденный участок поверхности мышцы или нерва на очень короткий промежуток времени приобретает потенциал, отрицательный по отношению к невозбужденной и неповрежденной поверхности и примерно равный потенциалу повреждения.
Гипотеза «электрической дырки»
Дальше научные позиции Германа и Бернштейна разошлись, и объяснили это явление они по-разному. Для Германа - автора теории повреждения - покоящаяся, т.е. невозбужденная и неповрежденная мышца, была электрически нейтральна: по Герману, источник «тока действия» возникал в месте раздражения в момент раздражения.
Для Бернштейна же картина была совершенно иной: в клетке всегда есть электричество, ее внутренняя часть заряжена отрицательно по отношению к наружной среде и нет нужды в возникновении нового источника тока, нужно просто добраться до уже имеющегося. Поэтому он предположил, что при раздражении возбудимой ткани в мембране действительно возникает «дырка», только не настоящая, как при разрезе или проколе, а «электрическая», дырка для токов, т.е. мембрана становится проницаемой не только для калия, но и для других ионов.
Из этой гипотезы сразу же следовал вывод, определяющий содержание контрольного эксперимента: в области возбуждения сопротивление мембраны должно снижаться за счет этой «дырки». Бернштейн сделал попытку проверить это предсказание экспериментально. Но продолжить развитие и обоснование своей гипотезы уже не успел: его книга с изложением мембранной гипотезы вышла в 1912 г., через два года началась первая мировая война, а в 1919 г. Бернштейн умер.
Предсказание Бернштейна об изменении проницаемости мембраны при возбуждении удалось проверить только спустя четверть века, в 1938 г. Хотя возобновившееся после войны изучение свойств мембраны совершенствовалось, технические трудности были слишком велики: ведь надо было уловить изменение сопротивления, которое длится всего несколько миллисекунд!
Успеха достигли американские биологи Кол и Кертис, которые подобно Фику, сумевшему найти для обнаружения зависимости порогового значения тока от времени его действия «медленную» мышцу беззубки, догадались подобрать подходящий объект, причем довольно неожиданный: вместо традиционных нерва или мышцы лягушки они взяли клетку водоросли. То, что в растениях есть возбудимые клетки, знали уже давно. Известно было и то, что все электрические процессы там идут гораздо медленнее: например, импульс возбуждения распространяется со скоростью всего несколько сантиметров в секунду. Оставалось найти только клетку побольше - такая, с диаметром около полумиллиметра, нашлась у водоросли нителлы.
На этом неожиданном объекте и провели свой опыт Кол и Кертис и обнаружили, что при возбуждении сопротивление мембраны, как и предсказывалось, уменьшается, однако не до нуля, а примерно в 200 раз.
Через год, воспользовавшись открытием гигантского аксона кальмара, те же авторы показали, что у этого волокна при возбуждении сопротивление мембраны тоже падает, и тоже не до нуля, а даже меньше, чем у нителлы: примерно в 40 раз.
«Примерно равен» - но с избытком или с недостатком?
Согласно гипотезе Бернштейна возникновение потенциала действия представлялось как результат «закорачивания» внешней и внутренней среды клетки, при котором потенциал на мембране падал до нуля. При этом потенциал действия, регистрируемый в эксперименте как разность потенциалов между невозбужденной и возбужденной областями волокна, должен быть равен потенциалу покоя, т.е. разности потенциалов между поверхностью нерва и местом разреза. Из того, что сопротивление возбужденной мембраны падало не до нуля, т.е. «закорачивание» было неполным, следовало, что ПД не равен ГШ, а чуть меньше его.
Вот этот-то такой логически простой вывод не вполне согласовывался с экспериментальными данными.
Когда в свое время Бернштейн измерял ПД, у него он получался, действительно, приблизительно равным ГШ или даже ПД чуть-чуть превышал ПП. Правда, тогда точность измерений была не очень велика: 0,08 В пли 0,11 В считалось, что это приблизительно 0,1 В и принципиального значения таким различиям не придавали. К тому же в то время потенциалы отводили от целой мышцы или целого нерва, которые представляли собой пучки клеток с разными свойствами.
Более точные данные о величине ПД были получены Б. Сандерсоном в 1891 г. на мышце лягушки, и опять ПД оказался больше ПП. Но и он измерял ПД на целой мышце, так что трудно было судить, что именно измерялось. Кроме того, в то время до разработки мембранной теории такие результаты ничему не противоречили.
Но когда в 1936 г. немецкий ученый Шефер, используя гораздо более совершенные приборы, вновь получил тот же самый результат, казалось бы, ученых должно было насторожить такое противоречие с теорией: методы измерения были достаточно точны, чтобы считать полученную разницу между ПП и ПД в 15-20 мВ существенной. Но все же и это несоответствие склонны были объяснять скорее недостатками эксперимента, чем недостатками теории.
Тревога поднялась только в 1939 г. Одновременно две группы исследователей в двух местах - Кол и Кертис, работавшие на морской станции Океанологического института в Вудс-Холе, и Ходжкин и Хаксли, работавшие на морской станции в Плимуте, измерили ПД и ПП на самом совершенном уровне тогдашней экспериментальной техники: они взяли гигантский аксон кальмара, т.е. одиночное нервное волокно, ввели электрод внутрь волокна и смогли таким образом непосредственно измерить разность потенциалов между внутренней и внешней сторонами мембраны одной клетки, а не на пучке волокон.
Оказалось, что в покое на мембране разность потенциалов равна примерно 80 мВ, а при возбуждении мембрана не разряжается, как предполагал Бернштейн, а перезаряжается: «минус» оказывается снаружи, а «плюс» - внутри. При этом на мембране возникает разность потенциалов, равная примерно 40 мВ. Значит, при возбуждении потенциал на мембране меняется не на величину ПП, а на сумму ПП и вновь возникающего потенциала. Вот почему эксперименты так упорно показывали превышение ПД над ПП. Это превышение назвали «овершут»).
Таким образом, вариант с «дыркой» не прошел: возникновение ПД нельзя было объяснить закорачиванием мембраны. Опыты с измерением сопротивления мембраны предсказывали, что ПД должен быть меньше ПП, а на самом деле он оказался, напротив, заметно больше ПП.
Как же они не догадались!
Надо было объяснить возникновение этого «дополнительного» потенциала. На самом деле для решения этой задачи все данные были уже известны, основные идеи высказаны - оставалось только их сопоставить и сделать решающий вывод.
Попробуйте сами, не читая дальше, посмотреть эти данные и придумать механизм возникновения ПД, для чего фактически достаточно заполнить многоточия в помещенной ниже схеме.
Сделав это, вы получите, по существу, формулировку так называемой натриевой гипотезы потенциала действия, авторами которой является уже знакомый нам Ходжкин и его сотрудник Хаксли.
Суть этой гипотезы заключается в том, что при возбуждении мембрана не просто полностью утрачивает избирательную проницаемость, а меняет ее: из проницаемой главным образом для К+ мембрана становится проницаемой главным образом для Ка+. А так как натрия снаружи больше, то он «лезет» внутрь и перезаряжает мембрану - получается как бы «ПП наоборот». Этим легко объясняется овершут.
Как видите, натриевая гипотеза настолько органично вписывается в мембранную теорию, что может показаться странным, что в противоречии существования овершута с мембранной теорией не могли разобраться свыше десяти лет. Но этот факт легко объясняется, если вспомнить, что овершут был обнаружен в 1939 г. Как когда-то первая мировая война помешала Бернштейну исследовать гипотезу «дырок», так начавшаяся 1 сентября 1939 г., вторая мировая война заставила Ходжкина и Хаксли отложить свои исследования. Во время войны Ходжкин работал в министерстве ВВС и занимался разработкой радиолокационных станций. Лишь после войны, в конце 40-х - начале 50-х годов, натриевая гипотеза превращается в стройную, экспериментально доказанную и логически безупречную натриевую теорию.
От гипотезы до теории
Первая экспериментальная проверка гипотезы была предпринята А. Ходжкином и Б. Катцем в 1949 г. Исследователи решили посмотреть, как влияет на величину ПД изменение концентраций калия и натрия в наружной среде. Они показали, что амплитуда ПД зависит от изменений концентрации натрия так же, как величина ПП зависит от концентрации калия, т.е. подчиняется формуле Нернста. Это было хотя и косвенное, но сильное подтверждение натриевой гипотезы: ведь это и означает, что в возбужденной мембране калиевая проницаемость сменяется натриевой. Используя более тонкий метод для сопоставления проницаемости мембраны для калия и натрия, Ходжкин и Катц установили, что в покое мембрана примерно в 25 раз более проницаема для кaлия, чем для натрия, а при возбуждении, наоборот, проницаемость для натрия становится примерно в 20 раз выше, чем для калия.
Основная идея натриевой гипотезы была подтверждена с помощью метода меченых атомов в 1951 г. Кейнесом и др. Они показали, что во время возбуждения в нервное волокно действительно входит гораздо больше ионов Ма+, чем в покое. Оказалось, что и выход калия наружу тоже не перекращается, даже наоборот, становится сильнее, чем в покое.
Итак, основная идея, введенная Ходжкином и Хаксли в мембранную теорию, идея о том, что проницаемость мембраны для того или иного иона не является величиной постоянной, а может меняться в зависимости от условий, оказалась верной.
Но одной этой общей идеи для объяснения механизма возбуждения и всех явлений, связанных с ним, было явно недостаточно.
Пока не было установлено, как в действительности во время возбуждения меняется проницаемость мембраны для калия и для натрия и, главное, от каких условий зависят эти изменения.
Опыты с внутриклеточным раздражением аксона показывали, что для возникновения возбуждения необходимо изменить на определенную величину мембранный потенциал, довести его до порогового значения. Изменения порога в течение рефрактерного периода зависели от времени. Была известна зависимость «сила - длительность» и т.д. Поэтому Ходжкин и Хаксли предположили, что проницаемость мембраны определяется двумя факторами: мембранным потенциалом и временем, прошедшим с момента изменения потенциала. Надо было выяснить, верно ли это предположение.
А выяснить это было чрезвычайно трудно, и не только потому, что процесс возбуждения, как мы уже не раз отмечали, очень быстрый. Дело еще и в том, что всякое изменение потенциала на мембране - а в этом, по существу, и состоит явление возбуждения - вызывает, согласно гипотезе, изменение проницаемости и для натрия, и для калия, а изменение проницаемости сейчас же меняет потенциал. Существенно также, что всякое изменение потенциала сейчас же вызывает в мембране емкостный ток: ведь в электрическом отношении мембрана - это сопротивление и емкость, включенные параллельно.
Страницы: 1, 2, 3
